Celdas de Combustible

Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Química

IQ–0331 Medición y Tratamiento de Datos Experimentales

Guía de laboratorio

Experimento 1 Celdas de combustible II Ciclo 2015

Versión 01 Página 1 de 14

1. Objetivos de la práctica

1.1. Objetivo General: estudiar el proceso de producción de energía a partir de una

celda de combustible.

1.2. Objetivos Específicos:

1.2.1. Familiarizar al estudiante con los conceptos y componentes de una celda combustible.

1.2.2. Comprender cómo funciona una celda de combustible y las variables que inciden

en su funcionamiento.

1.2.3. Comparar la eficiencia de una celda de combustible en función de la energía suministrada, o la resistencia del sistema.

1.2.4. Utilizar los gases producidos por un electrolizador PEM para producir energía

eléctrica.

1.2.5. Obtener una curva característica de voltaje ∕corriente (VI) de la celda de combustible.

1.2.6. Hacer un análisis comparativo entre las celdas de combustible PEM y DMFC.

1.2.7. Obtener una curva característica de voltaje ∕corriente (VI) de la celda DMFC para

las diferentes concentraciones de metanol.

1.2.8. Estudiar y comprender la influencia de la concentración de las disoluciones de metanol en el funcionamiento de una DMFC.

2. Responsabilidades de los estudiantes

2.1. Seguir el procedimiento experimental descrito en esta guía.

2.2. Estudiar los manuales de uso de los instrumentos de medida previo a la práctica.

2.3. Utilizar buenas prácticas de laboratorio.

3. Introducción

El principio de operación de las celdas de combustible es realmente muy antiguo, descubierto por Sir William Grove en el año 1839, aunque parece que un científico suizo,

llamado Christian F. Shönbein, había descrito de forma independiente el mismo efecto de manera simultánea. Fue Nernst quien en 1900 dedujo la ley termodinámica que rige el

principio de funcionamiento de las celdas de combustible y, además, fue el primer constructor de la celda de combustible de óxidos sólidos o cerámica. Pese a los esporádicos intentos realizados por desarrollar un dispositivo práctico, la llamada por

Grove batería voltaica gaseosa permaneció como una mera curiosidad científica durante






casi un siglo. Francis T. Bacon, otro científico inglés, fue quien retomó los trabajos sobre

estos dispositivos de forma práctica en 1937, desarrollando una pila de 6 kW a finales de la década de 1950. Sin embargo, la primera aplicación práctica de las celdas de

combustible tuvo lugar en el Programa Espacial de los Estados Unidos. Para ello, General Electric desarrolló una pila alimentada por hidrógeno que se empleó en el Programa

Gemini a principio de la década de 1960. Este primer desarrollo fue seguido por el del Programa Espacial Apolo, el cual empleó celdas de combustible para generar electricidad empleada para el uso diario, así como en las redes de comunicaciones. Estas celas fueron

desarrolladas por Pratt y Whitney, basados en la licencia tomada sobre la patente de F. T. Bacon. A mediados de la década de 1960 General Motors incorporó una celda de

combustible desarrollada por Union Carbide a un automóvil. Pese a que las celdas de combustibles se han seguido empleando en todas las misiones especiales de los EE.UU hasta hoy día, éstas fueron dejado de lado en las aplicaciones terrestres hasta el

comienzo de la década de 1990. A partir de este momento se probaron sistemas de celdas de combustibles en todo tipo de aplicaciones, como en carros, autobuses,

submarinos, etc. Una celda de combustible es un sistema electroquímico que convierte la energía química

di-rectamente en energía eléctrica obteniendo como subproductos de la reacción agua y calor. A diferencia de las baterías convencionales, los reactantes son suministrados

constantemente a la pila, y los productos de reacción eliminados. Existen diferentes clases de celdas de combustible según el tipo de electrolito utilizado, sólido o líquido. La naturaleza del electrolito les confiere diferentes pautas de funcionamiento y

características, como pueden ser la temperatura de operación, los gases reactantes, los materiales utilizados para su construcción, o incluso su vida útil y área de aplicación.

Entre todas ellas, las celdas de combustible con membrana de intercambio de protones, PEM por sus siglas en inglés (Proton Exchange Membrane), o simplemente celdas poliméricas, son actualmente la opción más prometedora para las aplicaciones móviles

debido a su alta eficiencia, densidad de corriente y baja temperatura de operación.

En una celda tipo membrana de intercambio (PEM) se cuenta con una membrana de intercambio de protones la cual está en contacto con la capa de catalizador del ánodo y una capa de catalizador del cátodo. Cada capa de catalizador está en contacto con una

capa de difusión de gas. Las membranas, capas de catalizador y las capas de difusión de gas constituyen lo que se llama electrodo-conjunto de membrana (MEA). Se puede decir

que es conductor protónico, que permite el paso a través de él de los iones H+, pero con la particularidad de ser impermeable al resto de sustancias. Básicamente, esta celda está compuesta por tres zonas: un electrodo cargado negativamente (cátodo), un electrodo

cargado positivamente (ánodo), y en medio la membrana electrolítica que separa físicamente los gases a ambos lados. El combustible, en este caso hidrógeno, es

introducido por los canales mecanizados en la placa bipolar por el lado del ánodo y






guiado a través de una capa difusora de material carbonoso hasta la capa catalítica,

donde tiene lugar la reacción de oxidación del hidrógeno. La capa difusora debe ser un material altamente poroso, de modo que facilite la difusión del hidrógeno para alcanzar

más eficientemente las partículas de catalizador. En la Figura 1 se muestra un esquema simplificado del funcionamiento de una celda tipo PEM y además se puede observar una

sección transversal de una PEM.

Figura 1. Diagrama simplificado de una celda de combustible PEM (Proton Exchange Membrane) y la representación de su sección transversal.

La celda de combustible de metanol directo, por sus siglas en inglés DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) es a menudo considerado como el sistema de celda de combustible ideal ya que opera con un combustible líquido, que para aplicaciones de transporte

potencialmente puede ser distribuido a través de la red de distribución de petróleo actual. Además, el sistema de energía DMFC es inherentemente más simple y más

atractiva que la celda de combustible de metanol indirecta convencional, que se basa en sistemas de reformador catalítico caros y voluminosos para convertir metanol para combustible de hidrógeno. Sistemas DMFC están potencialmente rentables, pero sólo si

pueden cumplir con el requisito de potencia necesaria para un aparato comercialmente viable. Las llamadas DMFCs son celdas de combustible contienen una membrana

polimérica alimentadas con metanol y aire. Como se mencionó anteriormente, el metanol se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente a diferencia de lo que ocurre con






el hidrógeno, por lo que presenta mejores propiedades para su implantación como vector

energético, ya que la adaptación para el repostaje de combustible puede realizarse más fácilmente. A pesar de esta ventaja, la realidad es que las celdas de metanol directo son

menos eficientes que las de hidrógeno ya que las potencias alcanzadas son menores y su durabilidad más baja. Esto ocurre debido entre otros problemas, al paso del metanol

desde el ánodo al cátodo contaminando el material catalítico y empeorando su funcionamiento. Las celdas de combustible de metanol directo (DMFCs) suelen trabajar a unas temperaturas de entre 50-120°C, y aunque lo hacen mejor a temperaturas y

presiones superiores, las perdidas en el sistema completo hacen que se utilicen a presión atmosférica. Uno de sus principales inconvenientes es que para evitar que el metanol

atraviese la membrana sin reaccionar, este se debe subministrar en forma de solución débil, por lo que se pierde eficiencia. En la Figura 2 se muestra un diagrama de una celda DMFC.

Figura 2. Diagrama simplificado de una celda de combustible de metanol directo DMFC.

Una DMFC produce una fuerza electromotriz (f.e.m) utilizando el metanol como un combustible y oxidándolo directamente a dióxido de carbono. La celda de combustible






provee energía cuando la solución de metanol está presente, el momento que esta se

gaste deja de funcionar la celda. La salida de corriente y le voltaje de la celda dependen de la carga aplicada a la celda de combustible y pueden ser observados por medio de su

curva característica.

MODELOS

La eficiencia energética se refiere a cuanta energía alimentada es disipada en el sistema (en este caso en la celda de combustible) como energía real

utilizada .

Entre más grande sea la eficiencia energética, mejor será su uso.

donde

= Poder calorífico del hidrógeno = 10.8x106 J/m3 (también llamado valor inferior del

poder calorífico)

= Cantidad de H2 producida in m3

U = Voltaje en V l = corriente en A t = tiempo en s

La eficiencia ideal es definida como e l radio de la energía libre de reacción o entalpía

(el trabajo liberado durante la reacción, e.g. en forma de energía eléctrica) y la

energía de reacción de la entalpía (la energía liberada durante la reacción).

La diferencia entre la energía libre de reacción y la entalpía de reacción es el calor

liberado Q. El calor puede ser descrito como un producto de la temperatura y la entropía

de reacción






EFICIENCIA FARADAY DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM

Empleando la segunda ley de Faraday y la ley de los gases ideales, se puede establecer una relación entre la corriente de flujo y el volumen teórico de la celda de combustible

del gas consumido. La eficiencia Faraday de la celda de combustible se puede derivar del radio del volumen teórico del gas calculado con el volumen real del gas consumido.

La segunda ley de Faraday establece:

Q = l · t = n · z · F La ley de los gases ideales establece:

p · V = n · R · T

Combinando las dos ecuaciones, el volumen del gas puede ser calculado con la siguiente expresión:

V =

V = volumen teórico de gas producido en m3

t = tiempo en s

R = constante universal de los gases Q = carga eléctrica en C

p = presión ambiente en Pa n = cantidad de la sustancia en mol

F = constante Faraday z = número de electrones para desprender una molécula

T = temperatura ambiente en K

I = corriente en A

En un arreglo de celdas de combustible conectadas a la vez en serie, se toma en consideración cuando se hacen los cálculos el volumen que está fluyendo en ese momento a través de cada celda individualmente; ejemplo; los volúmenes de gas son

consumidos en cada celda individualmente.

La eficiencia Faraday es obtenida de la siguiente ecuación:






3.1. Aspectos Teóricos a Investigar

3.1.1. Investigue que es un electrolizador y como funciona.

3.1.2. Investigue sobre que es una celda de combustible y los diferentes tipos de celdas de combustible que existen.

3.1.3. Investigue como está formada una celda de combustible.

3.1.4. Explique el funcionamiento una celda de combustible PEM operada con hidrógeno.

3.1.5. Indique los principios electroquímicos involucrados en este proceso.

3.1.6. ¿Cuáles son las ecuaciones químicas para la reacción en una celda de combustible PEM operada con hidrógeno?

3.1.7. Mencione las diferentes aplicaciones que tienen las celdas de combustible y su

importancia.

3.1.8. Investigue sobre las diferentes formas de evaluarla eficiencia energética en una celda de combustible y las relaciones termodinámicas que se utilizan.

3.1.9. ¿Cuál es la máxima eficiencia de una celda de combustible PEM?

3.1.10. Investigue sobre las propiedades del metanol y sus medidas de seguridad.

3.1.11. Investigue sobre en qué consiste una celda directa de combustible de metanol,

DMFC.

3.1.12. Investigue como funciona una DMFC.

3.1.13. Indique los principios electroquímicos involucrados en este proceso.

3.1.14. Investigue cual es la principal diferencia entre una celda de combustible PEM y una celda de combustible directa de metanol DMFC.

3.1.15. Investigue sobre el pasado y el futuro de las DMFCs.

3.1.16. Indique diferentes tipos de energías renovables y explique si se puede utilizar

las celdas de combustible para obtener energía renovable.

4. Equipo y materiales

4.1. Eficiencia energética y eficiencia de Faraday para celdas de combustible PEM/

Curva característica para una celda PEM

1. Celda de combustible PEM.

2. Electrolizador PEM.






3. Módulo solar para suministrar energía al electrolizador.

4. Fuente de luz para el módulo solar.

5. Resistor variable, medidor de voltaje y corriente.

6. Cronómetro.

7. Agua desionizada.

4.2. Dependencia del funcionamiento de una celda DMFC de la concentración de

metanol

1. Celda de combustible DMFC.

2. Punta de piseta para las botellas de metanol y piseta con agua destilada.

3. Medidor de voltaje y corriente.

4. Agua destilada.

5. Soluciones de metanol al 0.25 M, 0.5 M y 1.0 M.

4.3. DIAGRAMAS DE EQUIPO PARA LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

Figura 1. Diagrama de equipo para la producción de hidrógeno y purga del

sistema.






Figura 2. Diagrama de equipo para la obtención de la curva característica de

operación de la celda de combustible.

Figura 3. Diagrama de equipo para la operación de la celda DMFC






5. Procedimiento experimental

5.1. Eficiencia energética y eficiencia de Faraday para celdas de combustible PEM

5.1.1. Realice las conexiones del equipo como se muestran en la Figura 1.

5.1.2. Verifique que los tubos para transporte de gas entre el electrolizador y la celda de combustible estén bien conectados.

5.1.3. Presionar "ON" en la caja de medición y ajustar el interruptor rotatorio de la caja de medición en abierto (OPEN).

5.1.4. Llene ambos reservorios de gas con agua desionizada hasta la marca de 0 mL. Coloque el modulo solar respecto a la fuente luminosa de manera tal que la

producción de gas en el electrolizador sea apreciable.

5.1.5. Espere durante 5 minutos mientras los gases producidos llenan todo el

sistema. Luego coloque el interruptor rotatorio de la caja de medición en 3 Ω por 3 minutos. En este punto debe ser posible medir una corriente con el

amperímetro de la caja de medición.

5.1.6. Vuelva a colocar el interruptor rotatorio en la posición “OPEN” por 3 minutos.

5.1.7. Desconecte el electrolizador del módulo solar y cierre las conexiones de purga de gas de la celda de combustible utilizando los tapones.

5.1.8. Reconecte el módulo solar al electrolizador, permita que se acumulen los gases

producidos hasta que se alcance la marca de 10 mL en el lado del hidrógeno, en este momento desconecte el módulo solar.

5.1.9. Remueva los cables que unen el módulo solar con el electrolizador y empleelos para conectar la celda de combustible con el voltímetro de la caja de medición

(Figura 2). Ajuste la resistencia a 3 Ω. Anote el volumen de hidrógeno consumido (nivel en el reservorio del electrolizador) por la celda en 3 min. Anote también la corriente y el voltaje de la celda de combustible. Cambie el

interruptor rotatorio a “OPEN” luego de los 3 min.

5.1.10. Repetir dos veces los pasos 8 y 9 y obtenga los valores promedio de hidrógeno consumido por la celda. Tras hacer las mediciones cambie el interruptor rotatorio a “OPEN” y remueva los tapones de las mangueras de purga de la

celda.

5.2. Curva característica de operación de una celda PEM

5.2.1. Realice las conexiones del equipo como se muestran en la Figura 1.

5.2.2. Verifique que los tubos para transporte de gas entre el electrolizador y la celda de combustible estén bien conectados.






5.2.3. Presionar "ON" en la caja de medición y ajustar el interruptor rotatorio de la

caja de medición en abierto (OPEN).

5.2.4. Llene ambos reservorios de gas con agua desionizada hasta la marca de 0 mL. Coloque el modulo solar respecto a la fuente luminosa de manera tal que la producción de gas en el electrolizador sea apreciable.

5.2.5. Espere durante 5 minutos mientras los gases producidos llenan todo el

sistema. Luego coloque el interruptor rotatorio de la caja de medición en 3 Ω por 3 minutos. En este punto debe ser posible medir una corriente con el amperímetro de la caja de medición.

5.2.6. Vuelva a colocar el interruptor rotatorio en la posición “OPEN” por 3 minutos.

5.2.7. Desconecte el electrolizador del módulo solar y cierre las conexiones de purga de gas de la celda de combustible utilizando los tapones.

5.2.8. Reconecte el módulo solar al electrolizador, permita que se acumulen los gases producidos hasta que se alcance la marca de 10 mL en el lado del hidrógeno,

en este momento desconecte el módulo solar.

5.2.9. Remueva los cables que unen el módulo solar con el electrolizador y empleelos para conectar la celda de combustible con el voltímetro de la caja de medición (Figura 2).

5.2.10. Para determinar los valores de la curva característica inicie las mediciones en

la posición “OPEN” y vaya disminuyendo la resistencia de paso a paso moviendo el interruptor rotatorio hacia la derecha. Para cada resistencia anote el voltaje y la corriente, espere 30 segundos antes de hacer cada medición.

Finalmente anote los datos para la lámpara y el motor eléctrico de la caja de medición.

5.2.11. Tras hacer las mediciones cambie el interruptor rotatorio a “OPEN” y remueva los tapones de las mangueras de purga de la celda.

5.3. Dependencia del funcionamiento de una celda DMFC de la concentración de metanol

5.3.1. Conecte la DMFC y el circuito como se muestra la Figura 3.

5.3.2. Presionar "ON" en la caja de medición y ajustar el interruptor rotatorio de la caja de medición en abierto (OPEN).

5.3.3. Coloque y enrosque la punta de la piseta en la botella contenedora de la solución de metanol 0.25 M y llene el tanque de la celda de combustible hasta

el borde (la botella contenedora de la solución debe estar lo más llena posible para evitar introducir aire al sistema). Debe de estar totalmente seguro que no quedan burbujas de aire dentro del tanque (el tanque debe de estar






completamente lleno). Luego coloque los tapones, asegúrese que estos estén

bien colocados para que el sistema quede cerrado.

5.3.4. Esperar de 5 a 10 minutos con la perilla en posición abierta hasta observar un voltaje aproximado de 500 mV en ese tiempo (en el voltímetro se podrá observar que poco a poco el voltaje está incrementando). Subsecuentemente

ponga una resistencia de 3 Ω por 2 min (En este momento se debería de observar una corriente > 10 mA) en el amperímetro. Espere otros 3 min con la

perilla en la posición de abierto (OPEN) antes de empezar el experimento. Después de este pre-procedimiento la celda de combustible está condicionada para su funcionamiento.

5.3.5. Ahora empiece a variar la resistencia en forma decreciente (la perilla rotatoria

de la caja de medida) y recolecte los datos de la curva característica de la celda de combustible. Para esto, empiece en posición abierta (OPEN), luego disminuya la resistencia poco a poco moviendo la perilla rotatoria a la derecha

y termine la última medida en el motor. Registre el voltaje y la corriente a cada posición que se cambie. Espere un tiempo de estabilización

aproximadamente 1 min antes de tomar los datos cada vez que haga la medición. Registre todos los datos en las tablas antes de pasar al siguiente paso.

5.3.6. Coloque la perilla rotatoria en posición abierta (OPEN) y apague la caja de

medición. Retire los tapones del tanque y vierta la solución de metanol en un recipiente. Posteriormente lave la celda con agua destilada. Se debe de realizar mínimo 4 lavados.

5.3.7. Repita el procedimiento para las demás disoluciones de metanol. NOTA:

recuerde al final de toda la parte experimental apagar el sistema y hacer los lavados de la celda con abundante agua destilada ya que en la celda no debe de quedar restos de solución de metanol.

6. Cálculos y resultados

6.1. Resultados A: Eficiencia energética y eficiencia Faraday para celdas de

combustibles PEM.






Tabla 1. A continuación se tabulan los valores del tiempo, voltaje y la corriente

obtenidos al alimentar H2 a la celda de combustible para un volumen específico (incrementos de 5 cm3) de H2 consumido.

Contenido del tanque de

almacenamiento (cm3)

t (s) U (V) I (A) P (W) calculado P = U·I

5

10

15

20

25

1. Elabore un gráfico mostrando el contenido del tanque o del volumen consumido de gas como función del tiempo.

2. Calcular la eficiencia energética de la celda de combustible. 3. Calcule la eficiencia ideal de la celda de combustible. 4. Calcule la eficiencia Faraday.

6.2. Resultados B: Dependencia del funcionamiento de la celda de combustible de metanol directo (DMFC) en la concentración de metanol.

Tabla 2. A continuación se tabulan los valores voltaje y la corriente obtenidos del funcionamiento de la celda de DMFC a diferentes concentraciones de metanol.

Concentración (M) 0.25 0.5 1

R (Ω) U (V) I (mA) U (V) I (mA) U (V) I (mA)

Datos de 200 a 1

Motor

1. Dibuje un gráfico de la curva característica de voltaje∕corriente (VI) de la celda

de combustible para las diferentes concentraciones de metanol.

2. Introduzca los datos del motor en la curva característica VI.

3. Dibuje un diagrama de potencia ∕corriente (PI) para las diferentes concentraciones

de metanol.

4. Calcule la potencia del motor consumida e introdúzcala dentro del diagrama PI.

7. Aspectos a discutir

7.1. Interprete todos los resultados.

7.2. Discuta sobre el desempeño de las diferentes celdas.






8. Referencias

8.1. CEM, s.f. Procedimiento ME-003 para la calibración de manómetros, vacuómetros y manovacuómetros. Edición digital 1.

8.2. CEM, 2012. VIM. Vocabulario internacional de Metrología. Conceptos fundamentales y generales, y términos asociados. 3era edición en español.

8.3. Holman J. P. Métodos Experimentales para Ingenieros, McGraw-Hill (1977).

8.4. Kirk, R.E., Enciclopedia de Tecnología Química, pág. 108, Vol. 13, Primera Edición

Española, Editorial Hispanoamericana, México- (1959)

8.5. Rhodes, J.T., Industrial Instruments for Measurement, McGraw-Hill, Kogahusha, Tokio. (1941)

8.6. Tuve G.L. Mechanical Engineering Experimentation, McGraw-Hill, New York, 1961.

8.7. Omega Engineering. OMEGA Temperatura Measurement Handbook & Enciclopedia.

Volume 28, U.S.A., 1992.

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