Celdas Combustible.

Resumen

Las celdas combustibles de alta temperatura es una forma alternativa de generar energía mediante una reacción química. Estas celdas combustibles tienen una membrana polimérica de PBI dopada con ácido fosfórico que le permite tener una temperatura de operación optima de 150-200°C lo cual favorece el uso en motores eléctricos. En este estudio se realizaran diferentes porcentajes del dopaje en acido fosfórico para determinar cuál es el dopaje optimo para que le dé mejores propiedades a la membrana polimérica con  aplicación a el campo de la automoción como generador de energía alternativo.

Palabras clave: celda combustible de alta temperatura, PBI dopada con ácido fosfórico, temperatura de operación, dopaje optimo, automoción.

1. Introducción

En este proyecto se habla del mejoramiento de las celdas combustibles, las cuales son un dispositivo que genera energía eléctrica a partir de una reacción química en donde se libera calor, estas se encuentran conformadas por un cátodo y un ánodo que son los que hacen que ocurra la reacción química, entre el cátodo y el ánodo se encuentra un electrolito, el cual puede ser de diversos materiales, en este caso se utilizara como electrolito una membrana polimérica de PBI dopado con ácido fosfórico, esta membrana tiene propiedades que ayudan en la conductividad protónica por lo que mejoran la potencia de la celda combustible. Existen 2 tipos de celdas combustibles, las celdas combustibles de alta temperatura las cuales operan a temperaturas mayores de 200 °C, y las celdas combustibles de baja temperatura estas operan a una temperatura menor de 200°C, estos rangos son dependientes del electrolito que se utiliza, comúnmente los de alta temperatura son electrolitos que no requieren hidratación a temperaturas de operación promedio, en cambio si son temperaturas de operación elevadas se empiezan a generar problemas en la conductividad de protones en la celda combustible y esto generara menor potencia y empieza una degradación parcial de la membrana polimérica de PBI.

1. Planteamiento del problema

En la industria automotriz se ha buscado desarrollar nuevos automóviles con motores eléctricos los cuales funcionan con celdas de combustibles de alta temperatura fabricadas con membranas poliméricas (HT-PEM),las cuales emplean como electrolito una membrana de PBI (polibenzimidazol) dopado con ácido fosfórico. Este tipo de celdas combustibles les permite trabajar a su temperatura de operación de 150-200 ºC [1,10] por lo cual se considera una celda combustible de alta temperatura, lo cual permite una buena conductividad protónica por parte del electrolito, además que no requiere de hidratación y tienen buenas propiedades mecánicas[1,6,9,10]. La desventaja consta en que  la membrana de PBI dopado con ácido fosfórico con su uso en  motores y con todos los esfuerzos que implican, empieza a desgastarse la membrana[1,3,5], asimismo por temperaturas mayores a la temperatura de operación el dopado de ácido pierde agua[6,9], por lo que genera deshidratación y esto degrada la conductividad[2,4,5,7], por lo que el propósito de este proyecto es realizar una investigación sobre cómo se puede mejorar las propiedades de la membrana para disminuir las problemáticas que se pueden generar en los motores eléctricos con aplicación en la industria automotriz, en nuestro caso se realizara controlado el dopaje de ácido fosfórico para obtener el porcentaje optimo para aplicaciones en motores eléctricos, ya que las propiedades como la resistencia a la tensión y al estrés de la membrana van variando dependiendo de el porcentaje de ácido fosfórico que se dopa a la membrana.

Para realizar este proyecto se requerirá de una maquina universal para pruebas mecánicas a polímeros, además de un baño de ácido fosfórico para obtener  los porcentajes adecuados de dopaje para después realizar las pruebas mecánicas y establecer cuáles son las propiedades optimas para que este se lleve a cabo como aplicación en el campo de la automoción, donde lo que afectan a la membrana  es el encendido/apagado de la celda combustible puesto que durante esos momentos es donde se ve más expuesto a esfuerzos de tensión[1], esfuerzos de estrés, además las vibraciones que se generan por el encendido del motor ocasionan aumento en los esfuerzos y tensiones[1,6,9,10], por lo que facilita el desgaste de la membrana a pesar de que la membrana de PBI tiene buenas propiedades mecánicas, es necesario tratar de mejorar las propiedades mecánicas para prolongar la vida útil de la membrana evitando el desgaste. Otro aspecto importante que se debe tomar en cuenta es la temperatura de operación, esta no debe superar los 200 °C, por lo que se debe tener un control de el tiempo de uso de la celda combustible, asimismo evitar el sobrecalentamiento de la misma.

El proyecto sustenta de acuerdo al PDN nuevas formas de energías para sustentar la energía, además que puede ayudar en la sustentabilidad del petróleo, puesto que el proyecto está enfocado en los automóviles con el fin de reducir el uso de petróleo utilizando celdas combustibles como fuente de energía a un motor eléctrico, cambiando por H2 o metanol el combustible.

En la actualidad PBI dopado con ácido fosfórico ha sido de gran relevancia por lo que es un tema que ha sido muy investigado, desde su caracterización hasta sus defectos en zonas aplicadas, pero no se ha hecho una investigación de sus problemáticas que se pueden generar en las celdas combustibles de alta temperatura cuando su aplicación es dentro de un automóvil individual, donde pueden existir defectos como el desgaste que conlleva a una menor vida útil de la membrana, esto lleva a un problema que es de importancia para la industria automotriz. Por lo tanto es necesario realizar un estudio para determinar los tipos de esfuerzos que se ven implicados por un motor eléctrico, y de esa forma, poder determinar las pruebas mecánicas que se deben analizar para decretar los esfuerzos de tensión y estrés que influyen en el desgaste de la membrana para incrementar sus propiedades mecánicas, y de esa forma poder hacer eficiente el uso de celdas combustibles en la industria automotriz. La forma en la que se puede solucionar este problema es comparar diferentes concentraciones  de acido fosfórico dopado a la membrana porque las propiedades mecánicas cambian dependiendo de este factor, entre mas concentración de acido fosfórico pongas, la membrana se vuelve mas frágil, pero tiene mayor conductividad de protones, para de esa forma encontrar la concentración optima para su uso en automóviles.

Para realizar la serie de pruebas de tensión y relajación de esfuerzos se pueden realizar en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, ya que cuenta con los equipos para realizar las pruebas reologicas que son necesarias, y se encuentra en el Laboratorio de Reología de Polímeros, es una maquina universal de pruebas mecánicas para polímeros de la marca Shimadzu, es necesario realizar la membrana de PBI, y realizar el baño de ácido fosfórico a diferentes concentraciones. Se cuenta con los recursos bibliográficos de medios digitales como artículos científicos que se encuentran en la biblioteca digital de la UANL, para la realización del proyecto se cuenta con el apoyo de la Doctora Sugeheidy Carranza Bernal quien tiene experiencia en celdas combustibles con membranas intercambiadoras de protones. El tiempo estimado para realizar este proyecto es aproximadamente 2 meses.

1.2 Hipótesis

Se aumentara el tiempo de vida de degradación de la membrana intercambiadora de protones de PBI para celdas combustibles de alta temperatura utilizando la concentración optima del acido fosfórico bajo un ambiente controlado a  temperatura constante sometido a esfuerzos.

1.3 Objetivo general

Evaluar el comportamiento mecánico de una membrana polimérica intercambiadora de protones fabricada por el polímero polibenzimidazol a diferentes porcentajes de dopaje de ácido fosfórico para que se utilice en transportes , para medir su destreza a esfuerzos que se generan en una celda combustible y disminuir la probabilidad de desgaste. Donde el principal parámetro es el tiempo que se tarda en llegar a la ruptura a diferentes temperaturas y esfuerzos donde se determinara la duración de la membrana.

1.4 Objetivos específicos

Realizar un dopaje de ácido fosfórico a las membranas de PBI con diferentes porcentajes

Determinar  la temperatura optima de operación de las membranas de PBI dopadas con acido fosfórico en celdas combustibles de alta temperatura.

Definir que parámetros son los que afectan a la membrana para determinar las pruebas que se deben realizar.

Evaluar el comportamiento de la membrana a diferentes pruebas mecánicas y comparar esas pruebas con las de una membrana con recubrimiento fosfórico para determinar las mejoras de las propiedades.

Determinar el porcentaje de dopaje optimo para aplicación automotriz.

1.5 Justificación

Este anteproyecto tiene su principal importancia para la industria automotriz, ya que se busca que las celdas combustibles mejoren, al ser más eficientes, al generan mayor energía y evitar el desgaste para los automóviles eléctricos. Para llegar a generar mayor energía se requiere de una membrana que tenga mayor resistencia térmica, por lo que se estudio el PBI con un recubrimiento de acido fosfórico el cual en la celdas combustibles tienen una temperatura de operación optima entre 150ºC- 200ºC el problema es que influye mucho las concentraciones del ácido fosfórico, ya que las propiedades se ven afectadas por lo tanto se ve afectada la durabilidad de la membrana, en la cual el estudio no está muy enfocado hacia las propiedades que se pierde y cuál es la concentración optima para la membrana , para poder desarrollar de esa forma motores eléctricos que disminuirán el uso de petróleo, por lo que generaran sustentabilidad de acuerdo con el PDN.

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