UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN BANCO DE PRUEBAS
DE UN GENERADOR DE CORRIENTE ELÉCTRICA
MEDIANTE UNA PILA DE COMBUSTIBLE, PARA EL
ACCIONAMIENTO DE UN MOTOR ELÉCTRICO 12V – 100W.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
CRISTIAN XAVIER RUBIO VEGA
DIRECTOR: ING. IVÁN YÁNEZ, Msc.
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1721788881
APELLIDO Y NOMBRES: RUBIO VEGA CRISTIAN XAVIER
DIRECCIÓN: TUMBACO
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 02 2052070
TELÉFONO MOVIL: 0958809489
DATOS DE LA OBRA
TITULO: Diseño e implementación de un banco de
pruebas de un generador de corriente eléctrica mediante una pila de combustible, para el accionamiento de un motor eléctrico 12v – 100w.
AUTOR O AUTORES: Cristian Xavier Rubio Vega
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
08- junio - 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Iván Yánez
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
la generación de electricidad mediante el uso de hidrógeno para su funcionamiento y de esta manera alimentar un motor eléctrico y así poder desplazar un automóvil sin contaminación ambiental por lo que su único resultado es vapor de agua y calor útil.
Existen características que aun están en estudio de las pilas de combustible las cuales son mejorar su autonomía al poseer una autonomía de 300 a 400 km, reducir los costos de fabricación ya que al ser una tecnología proveniente del hidrógeno su producción es costosa.
El proyecto de fin de carrera estuvo enfocado en el estudio del principio de funcionamiento de las pilas de combustible, aplicación en el campo automotriz beneficios y eficiencia.
Para el análisis de la eficiencia de este sistema, se realizaron investigaciones relativas a clasificación por su electrolito, utilidad, partes y parámetros de funcionamiento los cuales permitieron realizar cálculos de: consumo de hidrógeno y aire, generación de energía eléctrica, temperatura, calor generado y eficiencia del sistema.
Mediante los parámetros antes mencionados se obtuvo la potencia, voltaje y corriente que puede generar una pila de combustible para alimentar un motor eléctrico por lo tanto al tener los resultados se dedujo que el sistema genera un voltaje de 19v estable a circuito abierto y una temperatura de 23°C mientras que al trabajar en circuito cerrado trabaja a 12v y su temperatura aumenta hasta 30°C, en ambos casos tiene un consumo de 1.3 litros por minuto de hidrógeno a 0.55 bar de presión estos parámetros son constantes debido a que son controlados por una electroválvula.
PALABRAS CLAVES: Pila de combustible, hidrógeno, motor eléctrico, electrolito, membrana, electroválvula, válvula de purga, celda de combustible.
ABSTRACT: Currently due to environmental pollution and
effect greenhouse that has been on the increase around the world is has encouraged the development of new technologies that come from clean, renewable energy, so an alternative is fuel cells whose principle is based on the generation of electricity through the use of hydrogen for operation and thus feeding an electric motor and can thus move a car without environmental pollution by the its only outcome is water vapor and heat.
There are features that are still in study of fuel cells which are improving their autonomy to possess a range of 300-400 km, reduce manufacturing costs to be a technology from the hydrogen production is expensive.
The thesis project was focused on the study of the principle of operation of the fuel cells, application in the automotive field benefits and efficiency.
For the analysis of the efficiency of this system, were carried out investigations concerning classification by its electrolyte, utility, parts and operating parameters which allowed calculations of: consumption of hydrogen and air, generation of electricity, temperature, heat generated and efficiency of the system.
Using the above parameters was obtained the power, voltage and current that can generate a fuel cell to power an electric motor therefore for the results was deducted that the system generates stable 19v open circuit voltage and a temperature of 23° C while working in closed circuit it works at 12v and its temperature increases up to 30 ° C , in both cases has a consumption of 1.3 litres per minute of hydrogen to 0.55 bar pressure these parameters are consistent since they are controlled by a solenoid valve.
DEDICATORIA
A Dios por guiarme durante toda mi vida y carrera estudiantil para salir adelante y nunca decaer.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme la vida para cumplir una meta más y salir adelante gracias a su bendición.
A mis padres y hermanos que siempre estuvieron pendientes de mí durante mi carrera universitaria y sin ellos nada de esto sería posible, quienes dieron su mejor esfuerzo para culminar una etapa más de mi vida. Supieron darme un gran ejemplo de trabajo, esfuerzo, honestidad, honradez les agradezco infinitamente por brindarme su confianza para demostrarles mis capacidad. A mi novia que me supo dedicar todo su amor durante este tiempo, siendo una persona incondicional y formando parte importante de mi vida, te amo mucho.
A mi familia que siempre estuvo pendiente de mí, a mi primo Cristian Rubio Moreno por la ayuda y asesoría durante el desarrollo de este proyecto.
A mi primo Johnny Balbín que ha sido como mi hermano y me ha brindado su amistad y consejos.
A mi director de tesis quien me ayudó y guió durante todo este proceso
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA RESUMEN ... VIII
ABSTRACT ... IX
1.INTRODUCCIÓN ... 1
2.MARCO TEÓRICO ... 4
2.1HIDRÓGENO ... 4
2.1.1GENERACIÓN DE HIDRÓGENO ... 5
2.1.2ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO ... 7
2.2PILADECOMBUSTIBLE ... 10
2.2.1 HISTORIA PILA DE COMBUSTIBLE. ... 11
2.2.2CLASIFICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE ... 12
2.2.3FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM ... 17
2.2.4OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM ... 19
2.2.4.1Electricidad en las pilas de combustible ... 25
2.2.4.2Balance energético ... 27
2.2.4.3Balance de masa ... 29
2.3MOTORES ELÉCTRICOS ... 33
2.3.1MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ... 34
2.3.2MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ... 36
2.4ESTADO DEL ARTE DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CON PROPULSIÓN CON PILAS DE COMBUSTIBLE ... 37
2.5APLICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE EN VEHÍCULOS ... 39
ii
4.ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 44
4.1DEPÓSITODEHIDRÓGENO ... 44
4.1.1ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CILINDRO DE HIDRÓGENO ... 45
4.2PILADECOMBUSTIBLETIPOPEM,FCS – C100 ... 45
4.2.1ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA PILA DE COMBUSTIBLE FSC – C100. ... 46
4.3MOTOR ELÉCTRICO ... 47
4.4CÁLCULO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE ... 49
4.4.1ESQUEMA DEL BANCO DE PRUEBAS ... 49
4.4.2CÁLCULOS TEÓRICOS ... 49
4.4.2.1Número de celdas de la pila de combustible ... 49
4.4.2.2Intensidad de la pila ... 50
4.4.2.3Superficie de las membranas poliméricas ... 50
4.4.2.4Electricidad generada por la celda de combustible ... 51
4.4.2.5Consumo de masa entrante ... 52
4.4.2.6Cálculo de masa saliente ... 54
4.4.2.7Calor generado por la pila de combustible ... 55
4.4.2.8Rendimiento de la pila de combustible ... 56
4.5DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS ... 56
4.5.1PLANO ESTRUCTURAL DEL BANCO DE PRUEBAS DE LA PILA DE COMBUSTIBLE PEM ... 56
4.5.2DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DEL BANCO DE PRUEBAS ... 60
4.5.2.1Circuito eléctrico Pila de Combustible PEM ... 60
4.5.2.2Circuito eléctrico del motor. ... 61
4.5.2.3Diagrama didáctico ... 61
4.6CONSTRUCCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS ... 62
4.6.1CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA ... 62
iii
4.7PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO ... 71
4.7.1PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO A CIRCUITO ABIERTO ... 72
4.7.1.1Preparación del sistema ... 72
4.7.1.2Toma de datos ... 72
4.7.2PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO CON CARGA ... 74
4.7.2.1Preparación del sistema ... 74
4.7.2.2Toma de datos ... 74
4.8ANÁLISIS DE DATOS ... 75
4.8.1SISTEMA A CIRCUITO ABIERTO ... 75
4.8.2SISTEMA A CIRCUITO CERRADO CON CARGA ... 78
4.8.3ANÁLISIS DE DATOS DE VOLTAJE Y TEMPERATURA EN CIRCUITO ABIERTO Y CIRCUITO CERRADO CON CARGA. ... 80
4.8.3.1Análisis de datos de voltaje. ... 80
4.8.3.2Análisis de datos de temperatura. ... 81
5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 84
5.1CONCLUSIONES ... 84
5.2RECOMENDACIONES ... 85
BIBLIOGRAFÍA ... 86
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles. ... 4
Tabla 2. Seis métodos y fenómenos de almacenamiento de hidrógeno ... 9
Tabla 3. Características de las celdas de combustible ... 17
Tabla 4. Propiedades termodinámicas del agua, hidrógeno y oxígeno. ... 22
Tabla 5. Propiedades de gases y líquidos reactantes. ... 29
Tabla 6. Descripción de motores de corriente continua. ... 35
Tabla 7. Clasificación y definición de los motores de corriente alterna. ... 37
Tabla 8. Ficha técnica del cilindro de hidrógeno e hidrógeno como gas. .... 45
Tabla 9. Características Pila PEM ... 46
Tabla 10. Especificaciones técnicas de la pila de combustible FCS – C100 ... 47
Tabla 11. Ficha técnica motor eléctrico. ... 48
Tabla 12. Datos de voltaje observados en la salida de la pila de combustible en circuito abierto (sin carga) ... 73
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Proceso de Electrolisis ... 6
Figura 2. Almacenamiento de hidrógeno para vehículos ... 7
Figura 3. Almacenamiento de gas presurizado. ... 8
Figura 4. Depósito para Hidrógeno licuado ... 8
Figura 5. Cilindro de almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos. ... 9
Figura 6. Estructura de una Pila de Combustible ... 10
Figura 7. Celda de Grove ... 11
Figura 8. Cronograma de desarrollo de las celdas de combustible... 12
Figura 9. Pila de Combustible Alcalina (AFC) ... 13
Figura 10. Pila de combustible de intercambio protónico (PEM) ... 14
Figura 11. Pila de combustible de Ácido Fosfórico. ... 14
Figura 12. Celda de Combustible de Carbonato fundido ... 15
Figura 13. Celda de combustible de Óxido Sólido (SOFC). ... 16
Figura 14. Celda de combustible de Metanol Directo (DMFC) ... 16
Figura 15. Curva de polarización característica de una celda de combustible tipo PEM. ... 26
Figura 16. Balance de masa ... 29
Figura 17. Partes de un motor eléctrico. ... 33
Figura 18. Partes principales de un motor de corriente continua. ... 36
Figura 19. Motor eléctrico de corriente alterna ... 36
Figura 20. Vehículo a hidrogeno Hyundai Tucson Ix 35 ... 40
Figura 21. Automóvil a Hidrógeno Honda FCX ... 41
Figura 22. Cilindro de hidrógeno INDURA ... 44
Figura 23. Pila de combustible FCS – C100 ... 46
Figura 24. Motor eléctrico 12V- 100W. ... 48
Figura 25. Esquema de banco de pruebas pila de combustible. ... 49
Figura 26. Plano estructural del banco de pruebas – vista frontal. ... 57
Figura 27. Plano estructural del banco de pruebas – vista derecha. ... 58
vi
Figura 29. Plano estructural del banco de pruebas – vista superior. ... 59
Figura 30. Plano estructural del banco de pruebas – vista lateral ... 59
Figura 31. Diagrama eléctrico pila de combustible ... 60
Figura 32. Circuito eléctrico para accionamiento del motor. ... 61
Figura 33. Diagrama didáctico. ... 61
Figura 34. Construcción de estructura. ... 62
Figura 35. Construcción de estructura y pizarra magnética. ... 63
Figura 36. Impresión de diagrama didáctico ... 64
Figura 37. Diagrama para ubicación de componentes del sistema. ... 64
Figura 38. Perforación de orificios para dispositivo ... 65
Figura 39. Ubicación de los dispositivos ... 65
Figura 40. Partes para conexión de la pila de combustible ... 66
Figura 41. Conexión de conector pila y controlador ... 66
Figura 42. Conexión de los polos de la pila de combustible al controlador ... 67
Figura 43. Conexión electroválvula y pila de combustible ... 68
Figura 44. Conexión válvula de purga. ... 69
Figura 45. Conexión de voltímetros, amperímetros y controlador ... 69
Figura 46. Cilindro de hidrogeno de 6m3 ... 70
Figura 47. Regulador de presión de a 0.55 bar ... 70
Figura 48. Banco de pruebas pila de combustible PEM ... 71
Figura 49. Presión de ingreso a la pila de combustible ... 76
Figura 50. Caudal de ingreso a la pila de combustible ... 76
Figura 51. Temperatura de pila de combustible a circuito abierto ... 77
Figura 52. Voltaje de la pila de combustible a circuito abierto ... 77
Figura 53. Temperatura de la pila a circuito cerrado ... 78
Figura 54. Voltaje consumido por el motor eléctrico ... 78
Figura 55. Corriente de la pila en circuito cerrado ... 79
Figura 56. Resistencia del circuito cerrado ... 79
Figura 57. Potencia generada por el motor eléctrico ... 80
Figura 58. Voltaje a circuito abierto vs circuito cerrado ... 81
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Manual de operación para circuito abierto ... 89
Anexo 2. Manual de operación a circuito cerrado ... 94
Anexo 3. Instrucciones de apagado del circuito ... 99
Anexo 4. Ficha técnica pila de combustible PEM H-100 ... 101
Anexo 5. Ficha técnica cilindro de hidrógeno ... 101
Anexo 6. Ficha técnica de hidrógeno ... 103
Anexo 7. Toma de datos de temperatura con pirómetro ... 105
Anexo 8. Guía de práctica 1 ... 106
viii
RESUMEN
ix
ABSTRACT
Currently due to environmental pollution and effect greenhouse that has been on the increase around the world is has encouraged the development of new technologies that come from clean, renewable energy, so an alternative is fuel cells whose principle is based on the generation of electricity through the use of hydrogen for operation and thus feeding an electric motor and can thus move a car without environmental pollution by the its only outcome is water vapor and heat.
There are features that are still in study of fuel cells which are improving their autonomy to possess a range of 300-400 km, reduce manufacturing costs to be a technology from the hydrogen production is expensive.
The thesis project was focused on the study of the principle of operation of the fuel cells, application in the automotive field benefits and efficiency. For the analysis of the efficiency of this system, were carried out investigations concerning classification by its electrolyte, utility, parts and operating parameters which allowed calculations of: consumption of hydrogen and air, generation of electricity, temperature, heat generated and efficiency of the system.
Using the above parameters was obtained the power, voltage and current that can generate a fuel cell to power an electric motor therefore for the results was deducted that the system generates stable 19v open circuit voltage and a temperature of 23° C while working in closed circuit it works at 12v and its temperature increases up to 30 ° C , in open circuit has a consumption of 1.3 litres per minute of hydrogen to 0.55 bar pressure these parameters are consistent since they are controlled by a solenoid valve. According to the investigation determines that PEM fuel cells are suitable for use in the automotive field, possessing not exceeding 65° C working temperature, 40 to 60% efficient, a solid electrolyte as the polymer membrane.
1
1. INTRODUCCIÓN
Durante décadas las fuentes como el carbón el petróleo ha producido energía como la gasolina y la energía eléctrica lo cual permitió una transformación en la civilización humana, pero esto ha tenido repercusión en el cambio climático del universo, sin embargo, en la actualidad aumenta el uso de las energías renovables con el fin de recuperar el medio ambiente; con el uso de estas energías se podría encontrar una posible solución limpia de combustible, como puede ser el Hidrógeno. El 90% de los átomos del universo se localizan compuestos de hidrógeno, es así, que se lo puede encontrar en el agua e hidrocarburos. Con el uso de diversos procesos es posible obtenerlo en estado puro, como es el caso de la electrolisis, fenómeno que se basa en utilizar la electricidad para separar los átomos de hidrogeno compuestos en el agua (H2O) utilizando un elemento llamado electrolizador. La electrolisis puede utilizar cualquier fuente de electricidad, pero con el uso de la energía solar o eólica podría cubrir un ciclo muy limpio de hidrogeno, esto gracias al uso de un dispositivo llamado célula de combustible.
Este proceso permite reabastecer continuamente los reactivos consumidos, a estos sistemas se los denominan pilas de combustible. Una pila de combustible también llamada célula de combustible, es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería con la diferencia antes mencionada, es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad de almacenamiento limitada de energía que posee una batería. Además, los electrodos de una batería reaccionan y cambian según como este de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.
2 Son alternativas novedosas donde los estudiantes ponen en práctica los conocimientos teóricos enseñados dentro de las aulas de clase, donde se confrontan problemas reales, de forma analítica para solucionarlos. Dicha confrontación genera pensamiento crítico y motiva para la formulación de preguntas de investigación, así como nuevos escenarios de práctica y en la industria automotriz para la propulsión de automóviles.
Este proyecto se realizará debido al aumento en la contaminación ambiental que existe en el mundo, con el cual se pretende demostrar que en base a nuevas tecnologías se puede reducir este índice de contaminación, es posible obtener parámetros eléctricos usados en el campo industrial de diferente manera, entre los cuales tenemos e uso de hidrógeno y pilas de combustible para la generación de corriente eléctrica, la misma que sirve para la alimentación diferentes actuadores (motor eléctrico), equipos comunes utilizados en el campo automotriz.
El avance de las tecnologías, compromete a las instituciones públicas y/o privadas dedicadas a la investigación a, desarrollar y obtener sistemas académicos que aporten al conocimiento en carreras de ingeniería, caso en el cual se encuentra involucrada la Carrera de Ingeniería Automotriz de la Universidad Tecnológica Equinoccial.
Este proyecto servirá como una herramienta ideal para el proceso enseñanza/aprendizaje en los principios de sistemas con tecnologías posicionadas actualmente: como es el caso de la generación de energía a base de hidrogeno (H2); sistemas que ayudan a conservar el medio ambiente y que aportan al cambio de la nueva matriz productiva llevada a cabo en el país.
3 El objetivo general de este proyecto es diseñar e implementar un banco de pruebas de un generador de corriente eléctrica mediante una pila de combustible, para el accionamiento de un motor eléctrico 12v – 100w.
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1 HIDRÓGENO
El hidrógeno es un gas inodoro, incoloro, no toxico y liviano, su densidad es 0.08376Kg/m3 que relativamente es ligero y es 15 veces menos denso que el aire que es 1.2kg/m3, en condiciones normarles es un gas diatómico el cual está constituido por un electrón y un protón, este gas es el más abundante en el universo, sin embargo no es el elemento más abundante en el planeta tierra, la mayor concentración de hidrógeno se encuentra en la corteza terrestre, su poca densidad y la gravedad hace que se eleve, en la tierra se lo puede encontrar de una manera no libre de los demás elementos. El agua es uno de los elementos que contiene mayor cantidad de hidrógeno con un 11,9% de su peso, existen otros elementos que contiene este gas como son carbón, petróleo y gas natural (Barreras, 2012).
En la tabla 1 se identifica la densidad del hidrógeno como combustible en comparación a los demás gases.
Densidad de hidrogeno como combustible
Tabla 1. Densidades de energías de varios combustibles.
Combustible Energía
especifica (kWh/kg)
Densidad de energía (kWh/l)
Hidrógeno(l) 20(K) 33.33 2.359 Hidrógeno(g) (150 atm) 33.33 0.4490
Gases (CNPT) Hidrogeno 33.33 0.002993
Metano 11.39 0.00997
Gas Natural 10.6 - 13.1 0.0088 - 0.0104
Etano 14.42 0.02024
Propano 12.88 0.02589
Butano 12.7 0.03449
Líquidos Gasolina ≈ 12.0 ≈ 8.8
Benceno 11.75 10.33
Etanol 8.251 6.510
Metanol 5.47 4.44
Amoníaco(l) 5.706 3.41
5 En la actualidad el hidrógeno es utilizado como una fuente de generación de electricidad gracias a sus componentes y por medio de las celdas de combustible. La energía que posee este gas es mayor por unidad de masa, que algunos otros elementos, pero su energía es menor por unidad de volumen (Maldonado, 2012).
2.1.1 GENERACIÓN DE HIDRÓGENO
La obtención del hidrógeno se puede dar por diferentes procesos, entre estos procesos se encuentran la electrolisis, reformado de combustibles fósiles y residuos bilógicos. La mayor fuente de producción de hidrógeno es basada en el reformado de gas, este método no es sustentable por mucho tiempo ya que no existen muchas fuentes de generación de gas y a su vez para su obtención se genera CO2 el mismo que es un gran contaminante y lo
que se busca con las celdas de combustible es evitar la contaminación ambiental con el uso de energías limpias (Correa, 2010).
El método que está en investigación en cuanto a costos y productividad es el de electrólisis ya que sería un proyecto sostenible con el tiempo, el hidrógeno que se obtiene por este método es de una elevada pureza al provenir del agua (Gauchía, 2008).
A continuación se describen los métodos para la obtención de hidrógeno.
Reformado con vapor.
El principio de este método se basa en el reformado (Steam reforming) de los hidrocarburos procedentes del gas natural, este tratamiento tiene una eficiencia de 70 a 90% (Azkarate, 2007).
Electrólisis de agua
6 componentes de hidrógeno y oxígeno en la figura 1 se indica el proceso de electrolisis (Peretti, 2005).
2H2O + Corriente eléctrica = 2H2 + O2
Figura 1. Proceso de Electrolisis
(Campi, 2012)
Para generar la energía eléctrica para este método se puede usar paneles solares y energía eólica, de esta manera se obtendrá una energía limpia.
Termólisis de agua
Este método de obtención de hidrógeno consiste en una reacción química producida por el aumento de temperatura la cual rompe enlaces químicos de la molécula del agua, esta reacción es endodérmica, su temperatura es superior a los 2500°C para la ruptura de los enlaces (Barreras, 2012).
Gasificación de biomasa
7 Pirolisis de biomasa
Mediante este proceso se puede generar carbón vegetal, hidrógeno, hidruros ligeros y monóxido de carbono, al someter biomasa a una combustión incompleta sin oxígeno, a una temperatura máxima de 500 ° C (Balbona, 2014).
2.1.2 ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO
Uno de los principales factores de investigación es el almacenamiento y transporte del hidrógeno como gas energético para las celdas de combustible de una manera económica y segura, se necesita de un gran estudio de materiales de almacenamiento debido a su baja densidad y alta presión. En el automóvil se almacena como indica la figura 2 (Azkarate, 2007).
Figura 2. Almacenamiento de hidrógeno para vehículos
(Mirez, 2013)
8 Existen varios métodos para su almacenamiento los cuales se indican en la figura 3 y4:
Almacenamiento del hidrógeno presurizado.
Figura 3. Almacenamiento de gas presurizado.
(Brizuela, 2008)
Almacenamiento de hidrógeno líquido.
Figura 4. Depósito para Hidrógeno licuado
(Brizuela, 2008)
Almacenamiento de hidrógeno por absorción
9 Almacenamiento en hidruros metálicos
Figura 5. Cilindro de almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos.
(Cell, 2007)
En la tabla 2 se pueden estudiar los diferentes tipos de almacenamiento del hidrógeno según su estado.
Tabla 2. Seis métodos y fenómenos de almacenamiento de hidrógeno
10
2.2 PILA DE COMBUSTIBLE
La pila combustible es un dispositivo que genera electricidad por medio de una reacción electroquímica, este proceso se genera mediante dos electrodos: un ánodo por el cual circula el combustible como el hidrógeno y un cátodo por el cual ingresa aire u oxigeno que actúa como oxidante, dichos electrodos se encuentran separados por un electrolito que permite la circulación de ciertos iones libremente (Calderón, 2004).
Al ingresar el hidrógeno sufre un proceso de ionización (oxidación) ya que pierde un electrón este se traslada hacia el otro electrodo por un conductor externo por lo tanto el otro electrón se traslada a través de otro electrolito, por último estos electrones se unen nuevamente en el cátodo produciendo corriente eléctrica, agua y calor útil (Balbona, 2014).
En la figura 6 se observa el principio de funcionamiento de la celda de combustible (Asensio P. , 2009).
Figura 6. Estructura de una Pila de Combustible
(Fernandez, 2009)
11
2.2.1 HISTORIA PILA DE COMBUSTIBLE.
El estudio de la pila de combustible data de 1839 por Sir William Robert Grove al demostrar que se puede generar corriente eléctrica mediante 4 celdas como se indica en la figura 7 que tuvieron una reacción electroquímica entre el hidrógeno y oxígeno, este descubrimiento se dio gracias a que Grove en sus experimentos envió electricidad a través del agua y esta se separó en hidrógeno y oxígeno, de igual manera realizó varios experimentos para la unión de hidrógeno y oxígeno, de esta manera producir electricidad y agua, dándose así la primera pila de combustible (Balbona, 2014).
Figura 7. Celda de Grove
(Fernandez, 2009)
12 En los años 70 se desarrollaron las pilas de ácido fosfórico que se utilizaron de mejor manera para centrales eléctricas estacionarias, posteriormente en los años 80 y 90 debido a una mejor eficiencia y aprovechamiento del calor generado se inicia el desarrollo de las pilas de carbonatos fundidos y seguidamente las pilas de óxido sólido, estas no llegaron al mercado debido a su poca vida útil (Fernandez, 2009).
En los 90 se produce otro desarrollo trascendental para las pilas de membrana polimérica al desarrollar polímeros estables conductores de protones.
Figura 8. Cronograma de desarrollo de las celdas de combustible
(Barreras, 2012)
2.2.2 CLASIFICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE
13 Celda de combustible alcalina (AFC)
Las características principales de esta celda se destaca que pueden alcanzar una eficiencia de generación de potencia hasta en un 70% y obtiene un alto rendimiento, utiliza un electrolito acuoso de Hidróxido de Potasio (KHO) el cual es una solución concentrada en su 85%, esto es ventajoso ya que la reacción del cátodo es más efectiva por su optima conductividad iónica, su temperatura de funcionamiento es de (65 a 200°C), en la figura 9 se identifica KOH como electrolito y su principio de funcionamiento (Rubio, 2008).
Figura 9. Pila de Combustible Alcalina (AFC)
(Balbona, 2014)
Celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC)
14 potencia, estos factores la hacen idónea para el uso en transporte y generación de energía estacionaria (Merino, 2006).
Figura 10. Pila de combustible de intercambio protónico (PEM)
(Fernandez, 2009)
Celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Estas celdas de combustible están constituidas con un electrolito acuoso de ácido fosfórico el cual se encuentra en una matriz entre un ánodo y un cátodo, para realizar su trabajo como se observa en la figura 11, tienen una eficiencia de un 45% y hasta un 85% cuando su vapor producido es utilizado para cogeneración, tu temperatura de funcionamiento alcanza los 205°C (Fernandez, 2009).
Figura 11. Pila de combustible de Ácido Fosfórico.
15 Celda de combustible de carbonato fundido (MFC)
La celda de combustible de carbonato fundido (MFC) utiliza como electrolito una sal de carbonato fundido compuesto por una mezcla fundida de litio y carbonato de potasio. La eficiencia de estas celdas de combustible es alta de 43 a 45%, su temperatura de desempeño adecuado es de 650°C a una presión de 1 a 10 bar, su rango de potencia en la que trabaja es de 100KW A 2MW, estas son usadas en sistemas estacionarios de generación de energía eléctrica, en la figura 12 se puede analizar es proceso de ingreso y salida de los reactantes y productos a la pila de carbonato fundido (Maldonado, 2012).
Figura 12. Celdade Combustible de Carbonato fundido
(Correa, 2010)
Celda de combustible de óxido sólido (SOFC).
16
Figura 13. Celda de combustible de Óxido Sólido (SOFC).
(Balbona, 2014)
Celda de combustible de metanol directo (DMFC)
Estas celdas de combustible son similares a las celdas PEM ya que poseen como electrolito una membrana para su intercambio protónico como se observa en la figura 14, su rango de eficiencia es de 30 a 40%, trabaja a un temperatura de 80°C para su desempeño optimo, su combustible es el metanol el mismo que ingresa al ánodo en donde su catalizador retiene el hidrógeno del metanol (Escudero, 2014).
Figura 14. Celda de combustible de Metanol Directo (DMFC)
17 Características de las celdas de combustible
En la tabla 13 se realiza una clasificación de las celdas de combustible de acuerdo a su eficiencia, electrolito y aplicación.
Tabla 3. Características de las celdas de combustible
(Barreras, 2012)
2.2.3 FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM
Principio de funcionamiento de la PEM
Una celda de combustible es un sistema de flujo estable, en el cual el combustible y el oxidante se suministra desde una fuente externa que provee un medio de transformar energía química en eléctrica, sin combustión y sin contaminar el aire (Acuña, 2007).
18 pila y poseer la hidratación de la membrana y evitar un bajo rendimiento de la pila de combustible (Fernandez, 2009).
Efectos de la presión
Esta pila de combustible PEM puede trabajar a una temperatura ambiente, sin embargo genera mejores resultados al aumentar la presión, pero para incrementar la presión se necesitara otro componente el cual consumiría energía extra (Fernandez, 2009).
La pila de combustible es alimentada por un tanque de hidrogeno a presión a la entrada de la Celda de combustible, existe otro factor llamado contrapresión que interactúa en este proceso, la cual es controlada por un dispositivo a la salida de la Celda de combustible, el mismo que ayuda a mantener una presión adecuada a la salida de la Celda de combustible, la presión de entrada es diferente a la presión de salida ya que existen caída de presión y esto da lugar a un incremento de presión a la entrada (Fernandez, 2009).
Efectos de la temperatura
19 Aplicaciones de la Celda de Combustible PEM
Entre las principales aplicaciones donde se puede implementar esta tecnología es en el transporte ya que gracias a su membrana y trabajo en bajas temperaturas permite ser apta para utilizarla en vehículos tanto como en buses, vehículos livianos y demás medios de transporte. Otras aplicaciones donde pueden ser utilizadas en plantas de generación de electricidad para viviendas, edificios y a su vez generación de calor (Barreras, 2012).
2.2.4 OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM
Su funcionamiento es inverso al proceso de electrólisis del agua, es decir en la electrólisis por medio de electricidad se separa en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que una pila de combustible produce corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos componentes con la ayuda de un electrolito (Balbona, 2014).
Las reacciones electroquímicas producidas tanto en el ánodo como en el cátodo se pueden expresar por separado mediante las siguientes expresiones.
Ánodo:
2𝐻2 ↔ 4𝐻++ 4𝑒− [1]
Cátodo:
4𝐻++ 𝑂
2+ 4𝑒− ↔ 2𝐻2𝑂 [2]
La siguiente ecuación expresa la reacción completa producida por el ánodo y cátodo.
20 El resultado principal de la celda de combustible es extraer la energía de un combustible (hidrógeno) y transformarla en energía eléctrica. La entalpia de reacción del combustible es factor principal del cual depende la extracción máxima de energía. Si la entalpia de la formula en función de la energía interna antes mencionada, se alcanza la siguiente ecuación (Balbona, 2014).
𝑑𝐻 = 𝑇𝑑𝑠 = 𝑑𝑈 + 𝑑𝑊 [4]
En relación a esta fórmula, se determina que el calor que se genera en una reacción se lo atribuye a cambios en la energía interna del sistema, la cual se desarrolla por cambios y reconfiguraciones de los diferentes enlaces químicos que lo conforman.
La reacción general de formación de agua es igual a la reacción de combustión del hidrógeno, debido a que en ambos casos se genera una reacción exotérmica, donde se libera energía durante el desarrollo y con ello se concluye que el agua tiene menor cantidad de energía interna que el hidrógeno y oxígeno independientemente (Tipán, 2015).
𝐻2+12𝑂2 → 𝐻20 + 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 [5]
El calor o entalpia que produce una reacción química es el resultado de la diferencia entre los calores generados por los productos y los reactantes. De modo que si el calor de formación del agua es -286 KJ/mol, a 25°C, y el hidrógeno y oxígeno son, iguales a cero por definición, de esta manera se obtiene la siguiente ecuación de para la generación de agua (Melon, 2008).
∆𝐻 = (ℎ𝑓)𝐻
2𝑂− (ℎ𝑓)𝐻2 − 1
2(ℎ𝑓)𝑂2 [6]
21 En el resultado esta ecuación el signo negativo tiene como significado que se está liberando energía. El cambio de entalpia relacionado a una combustión del hidrógeno, se lo menciona poder calorífico del hidrógeno, este poder calorífico se lo obtiene de la combustión de 1 mol de hidrógeno, el poder calorífico puede ser superior o inferior dependiendo de las condiciones de reacción (Barreras, 2012)
En las celdas de combustible se utiliza el valor del poder calorífico superior (HHV), ya que es la cantidad máxima de energía que se puede obtener del hidrógeno.
De acuerdo a la Segunda Ley de la Termodinámica, en toda reacción química se produce cierta cantidad de entropía, lo que provoca que una parte del HHV del hidrógeno no se pueda transformar en energía (Tipán, 2015).
La cantidad de energía del hidrógeno que se la puede utilizar para generar electricidad, se encuentra establecida por la Energía libre de Gibbs:
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 [8]
Debido a la entropía S, en los procesos de conversión de energía, siempre hay pérdidas inalterables, con la energía Libre de Gibbs no solo permite calcular la cantidad de trabajo útil sino también la eficiencia del proceso. En el caso de que ∆𝐺 sea cero, no se puede obtener ningún tipo de trabajo, al contar con una variación de energía positiva, se debe invertir el proceso y en el caso de ser negativa esta variación de energía, se cuenta con una reacción energética óptima (Melon, 2008).
22 hidrógeno, S representa la diferencia de entropía entre los productos y los reactantes (Acuña, 2007).
∆𝑆 = (𝑆𝑓)𝐻
2𝑂− (𝑆𝑓)𝐻2− 1
2(𝑆𝑓)𝑂2 [9]
En la tabla 4 se indican los valores de entalpia y entropía que adquieren los productos y reactivos que actúan en una celda de combustible de intercambio protónico (PEM).
Tabla 4. Propiedades termodinámicas del agua, hidrógeno y oxígeno.
Elemento Hf(KJ/mol) Entalpia Sf (KJ/mol) Entropía
Hidrógeno H2 0 0.13066
Oxígeno O2 0 0.20517
Agua líquida H2O (HHV) -286.02 0.06996
Agua vapor H2O (LHV) -241.98 0.18884
(Tipán, 2015)
Mediante la fórmula de la Energía Libre de Gibbs, se puede calcular la energía que es utilizada para la generación de electricidad, mediante un generador electroquímico, en este caso una pila de combustible.
∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 [10]
∆𝐺 = (𝐻𝐻2𝑂(𝑙)(𝐻𝐻2+12𝐻𝑂2)) − 𝑇 (𝑆𝐻2𝑂(𝑙)(𝑆𝐻2 +12𝑆𝑂2)) [11]
∆𝐺 = ( −286.02𝑚𝑜𝑙𝑘𝐽 − (0 − 0) − 298.15 (0.06996 − (0.13066 + 12 0.20517 )) [12]
∆𝐺 = −237.34 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ [13]
23 electricidad y con los -48.68 KJ/mol de diferencia se genera calor (Gonzales, 2006).
El trabajo eléctrico de una pila de combustible se lo determina por medio del producto de la carga por el potencial:
𝑊𝑒𝑙= 𝑞𝐸 [14]
Dónde:
𝑊𝑒𝑙: Trabajo eléctrico (J/mol)
𝑞 : Carga eléctrica (C/mol)
𝐸 : Potencial eléctrico (V)
En una pila de combustible de intercambio protónico se obtiene la cantidad de carga eléctrica transmitida por cada mol de hidrógeno consumido, mediante la siguiente ecuación:
𝑞 = 𝑛𝑁𝐴𝑣𝑔𝑞𝑒𝑙 [15]
Dónde:
𝑛: Número de electrones por cada molécula de hidrógeno
𝑁𝐴𝑣𝑔 :Número de Avogadro (6.023 x 1023 moléculas/mol)
𝑞𝑒𝑙 : Carga de un electrón (- 1.602 x 10-19 C/electrón)
Durante el estudio de las celdas de combustible se podrán apreciar varias nomenclaturas como nF, la cual tiene un valor muy significativo de la electroquímica, el cual es indicar el número de electrones transferidos en forma de corriente eléctrica que se traslada entre los componentes reactantes y de esta manera la pila PEM transfiere 2 electrones por cada mol de hidrógeno (n=2). Al multiplicar n por el número de Avogadro, se obtiene la conversión de cantidad molar en energía eléctrica (Mayandía, 2009).
24 El nomenclatura F, significa Constante Faraday, con un valor de F=96485.34 C/mol. Al observar que el valor de la Constante Faraday es elevado, se determina que a partir de una reacción química pequeña se puede obtener gran cantidad de electricidad y con ello se le otorga a las celdas de combustible como un dispositivo factible para la generación de electricidad y calor (Rubio, 2008).
La ecuación del trabajo eléctrico queda determinada de la siguiente manera:
𝑊𝑒𝑙= 𝑛𝐹𝐸 [17]
De esta manera, se puede mencionar que la cantidad máxima de energía eléctrica que una celda de combustible puede generar proviene de la Energía libre de Gibbs:
𝑊𝑒𝑙= −∆𝐺 [18]
El potencial eléctrico de una celda de combustible es:
𝐸 = −∆𝐺𝑛𝐹 = 2∗96485.34𝐶 𝑚𝑜𝑙237.04𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄⁄ = 1.229 𝑉 [19]
Para determinar el número de celdas de una pila de combustible se necesita tomar en cuenta el voltaje que se desea obtener mediante la siguiente ecuación se obtiene el número de celdas:
𝑁𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 =𝑉𝑉0
𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 [20]
Donde:
𝑁𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠: Número de celdas
25 Para calcular la intensidad de la pila de combustible se toma en cuenta la potencia y voltaje mediante la siguiente ecuación:
𝐼 =𝑊𝑉0
0 [21]
Donde:
𝑊0: potencia nominal (W)
𝑉0: Tensión del circuito (V)
I: Intensidad de corriente (A)
La potencia generada por la pila de combustible la obtiene utilizando la siguiente ecuación:
𝑃 = 𝑉𝑝𝑖𝑙𝑎∗ 𝐼 [22]
Donde:
P: Potencia de la pila de combustible
𝑉𝑝𝑖𝑙𝑎: Voltaje de la pila de combustible
I: Intensidad generada
2.2.4.1 Electricidad en las pilas de combustible
En una pila de combustible su valor teórico vienes expresado de la siguiente manera:
𝐸 = ∆𝐺2𝐹 [23]
26 Los factores que intervienen en la operación de la pila de combustible se conocen como curvas de polarización:
A circuito abierto, la tensión es menor que la esperada teóricamente. Se genera una rápida caída de tensión en inicio de su operación.
Una vez estabilizada, la tensión va cayendo lentamente, de forma línea. Cuando se demanda gran cantidad de corriente, la tensión cae de manera
inmediata.
En la Figura 15 se puede observar claramente las 3 regiones de pérdidas, que se explican a continuación:
Figura 15. Curva de polarización característica de una celda de combustible tipo PEM.
(Barreras, 2012)
Región de activación.- La tensión de circuito abierto es inferior que la ideal y sufre una pérdida de tensión al iniciar el suministro de corriente, este proceso se da generalmente en las pilas de combustible PEM (Barreras, 2012).
27
Región de concentración.- En esta región se dan pérdidas por las limitaciones, debido a las tasas finitas de transferencia de masa de los reactantes.
Con estos antecedentes se toma en cuenta que en condiciones reales se involucran factores que interviene en la tensión de salida en las pilas de combustible.
2.2.4.2 Balance energético
Para el balance energético se debe tomar en cuenta que la suma de la energía de entrada es idéntica a la suma de la engería de salida.
∑ 𝑄𝑖𝑛− ∑ 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐+ 𝑄𝑑𝑖𝑠+ 𝑄𝑐 [24]
Dónde:
𝑄𝑖𝑛: Entalpia (calor) de los elementos entrantes 𝑄𝑜𝑢𝑡: Entalpia (calor) de los elementos salientes
𝑄𝑑𝑖𝑠: Calor disipado por convención/radiación en el entorno
𝑊𝑒𝑙𝑒𝑐: Trabajo eléctrico obtenido
𝑄𝑐 : Calor extraído mediante circulación de refrigerante
Cierta cantidad del calor generado por la pila se los evacua por convección y radiación en el entorno y lo demás se lo extrae mediante la circulación de refrigerante internamente (Merino, 2006).
El balance energético se lo puede obtener con estimaciones al igualar la entalpia de los gases reactantes, al sumatorio del calor y electricidad producida.
𝐼
𝑛𝐹𝐻(ℎℎ𝑣,𝑙ℎ𝑣)𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝑄𝑔𝑒𝑛+ 𝐼𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙+ 𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [25]
28
𝑄𝑔𝑒𝑛= (1.482 − 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙)𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [26]
Si el agua se evacua en estado gaseoso, se utiliza el poder calorífico inferior, se lo obtiene mediante la siguiente ecuación:
𝑄𝑔𝑒𝑛= (1.245 − 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙)𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [27]
Las dos ecuaciones antes mencionadas son utilizadas solamente como aproximaciones, debido a que estas cuentan con valores de entalpia de los elementos entrantes y salientes que actúan en las reacciones electroquímicas.
La entalpia de los elementos de entrada se encuentra en el combustible, oxidante y vapor de agua en el caso que existiese, la entalpia en los elementos de salida son los productos que salen del cátodo, el trabajo generado y el calor generado y expulsado por la pila de combustible (Contreras, 2010).
Para determinar la entalpia de cada elemento o gas se utiliza la siguiente ecuación:
ℎ = 𝑚𝑐𝑝𝑇 [28]
Dónde:
𝑚 :Flujo de gas que interviene en la reacción
𝑐𝑝: Calor específico (J/kg) 𝑇 : Temperatura (°C) h: Entalpia
En el caso de que el gas posea poder calorífico superior, la ecuación es:
ℎ = 𝑚(𝑐𝑝𝑇 + ℎℎℎ𝑣𝑜 ) [29]
29 elementos reactantes y los productos a esas temperaturas. En el caso del hidrógeno, se utiliza la siguiente ecuación para calcular (Balbona, 2014):
ℎ𝐻𝐻𝑉0 = ℎ 𝐻𝐻𝑉
25 − (𝑐
𝑝,𝐻2 + 1 2
𝑀𝑂2
𝑀𝐻2𝑂𝑐𝑝,𝑂2 − 𝑀𝐻2𝑂
𝑀𝐻2 𝑐𝑝,𝐻2𝑂) . 25 [30]
Tabla 5. Propiedades de gases y líquidos reactantes.
(Tipán, 2015)
2.2.4.3 Balance de masa
El balance de masa de la figura 16 permite analizar que la suma de las masas entrantes sea iguales a la suma de masas salientes.
30 En las pilas de combustible tipo PEM los elementos reactantes son el hidrógeno, oxígeno, y vapor de agua en caso que se encuentre en estos gases, y los productos salientes se consideran al combustible y oxidante no utilizado, también al agua en estado líquido o gaseoso (Azkarate, 2007). De acuerdo a la figura 18 se puede manifestar que se desarrolla la siguiente ecuación:
∑(𝑚𝑖)𝑚= ∑(𝑚𝑓)𝑜𝑢𝑡 [31]
Dónde:
i y f : diferentes elementos que actúan en la reacción.
m : cantidad de masa de un elemento que actúa en la reacción. Para una pila de combustible tipo PEM se obtiene lo siguiente:
𝑚𝐻2 + 𝑚𝑂2 = 𝑚𝐻2𝑂+ 𝑊𝑒𝑙 [32]
Dónde:
𝑚𝐻2, 𝑚𝑂2, 𝑚𝐻2𝑂,: Son las cantidades de masa que ingresan a la pila de
combustible para la reacción.
𝑊𝑒𝑙: Potencia de salida de la pila (W)
El flujo de masa entrante es directamente proporcional al número de celdas que posee la pila de combustible y a la corriente que las circula, de modo que la potencia eléctrica es formulada de la siguiente manera (Tipán, 2015):
𝑤𝑒𝑙= 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙 [33]
De esta manera todos los fluidos son directamente proporcionales a la potencia de salida, e inversamente proporcionales a la tensión de la celda de combustible:
𝐼. 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝑉𝑊𝑒𝑙
31 Dónde:
𝑤𝑒𝑙 : Potencia eléctrica de salida (W)
I: Corriente que atraviesa las celdas (A)
𝑉𝑐𝑒𝑙𝑙 : Tensión de la celda (V)
𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 : Número de celdas que posee la pila.
Masa entrante
Para calcular la masa de los elementos entrantes se toma en cuenta las siguientes ecuaciones:
La masa del hidrógeno (g/s) que ingresa a la pila de combustible:
𝑚𝐻2,𝑚= 𝑆𝐻2 𝑀𝐻2
2𝐹 𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [35]
Dónde:
𝑆𝐻2 : Razón estequiométrica del hidrógeno a la entrada
𝑀𝐻2 : Peso molecular del hidrógeno (g/mol)
F: Constante Faraday (96485.34 C/mol)
𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 : Número de celdas que forman la pila I: Corriente que atraviesa las celdas de la pila (A) La masa de aire (g/s) que ingresa a la pila:
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑚 = 𝑆𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑂2
𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒
4𝐹 𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [36]
𝑚𝑂2𝑖𝑛 = (𝑆𝑂2) 𝑀𝑂2
4𝐹 𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [37]
Dónde:
𝑆𝑎𝑖𝑟𝑒 : Razón estequiométrica del oxígeno de entrada 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 : Peso molecular del oxígeno (g/mol)
32
𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 : Número de celdas que forman la pila. I: Corriente que atraviesa las celdas de la pila (A)
𝑟𝑂2 : Fracción molar del oxígeno
En ciertas ocasiones existe la posibilidad de utilizar oxígeno puro y no aire, en este caso se debe eliminar la fracción molar del oxígeno y cambia la masa molar del aire por la del O2 (Calderón, 2004).
Masa saliente
Los elementos que se pueden calcular son el consumo de reactantes, generación de agua y su circulación mediante la membrana polimérica (Escudero, 2014).
La masa de hidrógeno (g/s) que no se utiliza:
𝑚𝐻2.𝑜𝑢𝑡 = (𝑆ℎ2 − 1)𝑀𝐻2
2𝐹 𝐼. 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [38]
La masa de oxígeno en la salida de la pila, es similar a la cantidad de oxigeno que ingresa menos la cantidad que se utiliza en la reacción electroquímica.
𝑚𝑂2.𝑜𝑢𝑡 = (𝑆𝑂2− 1) 𝑀𝑂2
4𝐹 𝐼. 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [39]
La masa de nitrógeno en la salida de la pila de combustible es la siguiente:
𝑚𝑁2.𝑜𝑢𝑡 = (𝑆𝑂2) 𝑀𝑁2
4𝐹 𝑥
1− 𝑟𝑜2𝑖𝑛
4𝐹 𝐼. 𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙 [40]
33
𝑚𝑁2𝑜𝑢𝑡 = [(𝑆𝑂2− 1)𝑀𝑂2+ 𝑆𝑂2
1− 𝑟𝑂2𝑖𝑛 𝑟𝑂2𝑖𝑛 ]
𝐼𝑛𝑐𝑒𝑙𝑙
4𝐹
[41]
La eficiencia de una pila de combustible es un factor que se debe tomar en cuenta para verificar el desempeño como una nueva tecnología apta.
𝑛 = 𝐻𝐻2𝑖𝑛
𝐻𝐻2𝑜𝑢𝑡 [42]
Donde:
𝑛: Eficiencia
𝐻𝐻2𝑖𝑛: Cantidad ingreso de hidrógeno
𝐻𝐻2𝑜𝑢𝑡: Cantidad de salida de hidrógeno
2.3 MOTORES ELÉCTRICOS
Los motores eléctricos son dispositivos encargados de transformar energía eléctrica en energía mecánica, mediante los campos magnéticos de sus bobinas, este trabajo también puede ser reversible al poder transformar energía mecánica en energía eléctrica, este trabajo se lo realiza gracias a sus componentes principales como el estator y rotor. Las partes que componen un motor eléctrico se identifican en la figura 17 (Roldan, 2011).
Figura 17. Partes de un motor eléctrico.
34 Según el tipo de corriente eléctrica utilizada para su funcionamiento se clasifican en:
Motores de corriente continua:
Motor de excitación independiente Motor de excitación serie
Motor de excitación derivación Motor de excitación compuesta Motor universal
Motor de imanes
Motores especiales (Roldan, 2011).
Motores de corriente alterna
Motores síncronos Motores asíncronos Monofásicos
De bobina auxiliar
De espira en cortocircuito Universal
Trifásico
De rotor bobinado
De rotor en cortocircuito. (Jaula de ardilla)
2.3.1 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
35 corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde cero a plena carga. (Litardo, 2010)
En la tabla 6 se describe cada tipo de motor de corriente continua, por sus características.
Tabla 6. Descripción de motores de corriente continua.
(Contreras, 2010)
36 atracción o repulsión que provoca que el rotor realice su movimiento y así generar trabajo, las partes del motor se identifican en la figura 18 (Litardo, 2010).
Figura 18. Partes principales de un motor de corriente continua.
(Contreras, 2010)
Los motores de corriente continua son de los más comunes y económicos, por lo general los más utilizados son de dos imanes permanentes sujetos a la carcasa y una serie de bobinados de cobre ubicados en el eje del motor, que habitualmente suelen ser tres (Litardo, 2010).
2.3.2 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
Los motores de corriente alterna se denominan así debido a que su alimentación es mediante corriente alterna, el motor de tres fases de inducción es el más utilizado en el campo de las industrias, el mismo que tiene tres elementos principales: estator, rotor y recinto. Los mismos que se pueden observar en la figura 19.
Figura 19. Motor eléctrico de corriente alterna
37 La clasificación de los motores de corriente alterna se la puede observar en la tabla 7, estos motores son de grades capacidades de energía ya que si propósito es suministrar una energía muy elevada, existen procesos en los que la corriente continua se la convierte en corriente alterna para de esta manera brindar una mejor potencia (Roldan, 2011).
En la actualidad, el motor de corriente alterna es el más utilizado para la mayor parte de las aplicaciones, debido fundamentalmente a que consiguen un buen rendimiento, bajo mantenimiento y sencillez, en su construcción, sobre todo en los motores asíncronos su clasificación y descripción.
Tabla 7. Clasificación y definición de los motores de corriente alterna.
(Contreras, 2010)
2.4 ESTADO DEL ARTE DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS CON
PROPULSIÓN CON PILAS DE COMBUSTIBLE
38 mejoras en los diferentes sectores de aplicación de este combustible, el sector automotriz uno de los principales donde se ha aplicado esta tecnología (Asensio P. , 2009).
En la actualidad hay varios países que apoyan al desarrollo de vehículos eléctricos propulsados con celdas de combustible y a medida el apoyo es parte fundamental para la aplicación de estas tecnologías (Barreras, 2012). En el continente Europeo, Alemania es uno de los países que tiene apoyo financiero por parte de Fuel Cell Hydrogen Undertaking para el estudio de cogeneración de hidrógeno, de la misma manera la cuidad de Aragón por medio de la Fundación de Hidrógeno Aragón incentiva a la investigación del Hidrógeno (Hidrógeno, 2015).
La fundación SGIP (California’s Self-Generation Incentive Program) de los Estados Unidos está en cargada de apoyar económicamente a la investigación en el estado de California (Asensio P. , 2009).
El gobierno Británico también brinda su apoyo al desarrollo de pilas de combustible por medio del programa UK H2 Mobility, fundamentalmente se
basa en la investigación de pila de combustibles para la movilidad (Hidrógeno, 2015).
En ciertas ciudades de Europa, como Aberdeen, Escocia y Londres ya se han implementado medios de transportes urbanos, son 8 los autobuses que realizan sus rutas por diferentes destinos en estas ciudades.
39 Un factor que va de la mano con el desarrollo de los vehículos eléctricos propulsados por celdas de combustible, es contar con la infraestructura necesaria para poder abarcar con todo el mercado de estos nuevos vehículos, la infraestructura ha tomado el nombre de HRS (Hydrogen Refuelling Stations), por tal motivo Japón en el año 2015 realizo avances al construir 100 Hidrógeneras durante este año, con ayuda de su gobierno. En los Estados Unidos, California también cuenta con una HRS más principales del mundo. En el continente europeo se aprobó una Directiva 2014/94/UE, la cual aprobó la construcción de estas infraestructuras para combustibles alternativos, como el Hidrógeno, para lo cual tiene un periodo de 2 años para la construcción de todas las redes de HRS (Tonatihu, 2007).
2.5 APLICACIÓN DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE EN
VEHÍCULOS
La contaminación ambiental y acústica han sido algunos de los factores influyentes para el desarrollo de la tecnología de celdas de combustible tipo PEM en los vehículos. En el mercado existen varias marcas como: Hyundai, General Motors, Honda, Daimler-Chrysler, Nissan, Toyota, Fiat y Mazda, que están involucradas en el desenvolvimiento de las celdas de combustible con investigación y aplicación en prototipos (Barreras, 2012).
La implementación de esta nueva tecnología conlleva aun varios retos por resolver como lo son: transporte, almacenamiento de combustible (Hidrógeno), infraestructura de abastecimiento de combustible, desconocimiento del cliente y como punto no menos importante la rentabilidad de costos frente a costos de vehículos de combustibles fósiles (Asensio J. , 2011).
A continuación se describirá algunos de los modelos de vehículos que ya poseen esta tecnología:
40 potencia de 100 Kw, el hidrógeno se almacena a una presión de 700 bares, en depósitos de 5,64 Kg, su aceleración de 0 a 100 km/h se da en un tiempo de 12,5 segundos. Su producción en gran cantidad tuvo como inconveniente haber solo 10 “hidrogeneras” en los Estados Unidos para abastecer a estos vehículos (Balbona, 2014).
Figura 20. Vehículo a hidrogeno Hyundai Tucson Ix 35
(Svartblood, 2014)
En el año 2006 Fiat desarrollò su primer vehículo Panda Hydrogen el cual se moviliza por medio de celdas de combustible alimentadas por hidrógeno. Tres celdas de combustible conectadas en serie son las que conforman el sistema, para su alimentación utiliza un turbocompresor, posee sistema de humidificación y sistemas auxiliares para su desempeño. El hidrógeno está a una presión de 350 bar en su almacenamiento, su depósito está construido de materiales compuestos, su localización está en la parte posterior debajo del asiento. Cuenta con una autonomía de 200 Km, su velocidad máxima que puede alcanzar es de 130 Km/h, la potencia generada por las celdas de combustible es de 60 Kw (Svartblood, 2014).
41 hidrógeno a una presión de 340 atm, los mismos que se encuentran en la parte trasera del vehículo. Su pila de combustible tiene un peso de 67 Kg y genera una autonomía de 430 Km, la producción de su gas combustible se da por medio de un generador llamado “Home Energy Station” que es tamaño de una gasolinera (Gauchía, 2008).
Figura 21. Automóvil a Hidrógeno Honda FCX
(Asensio, 2009)
En el año 2015, la marca Toyota lanzó su modelo Toyota FCHV PEM FC, en Europa, Estados Unidos y Japón, la densidad de potencia de este vehículo es la mayor entre los todos los automóviles a ser 3 Kw/litro, con una autonomía mayor a los 500 km, se pretende generar una autonomía igual a los vehículos de combustión interna (Hidrógeno, 2015).
El transporte urbano ha sido otro campo donde se ha hecho presente la aplicación de las pilas de combustible como una alternativa económica y ayuda a la conservación del medio ambiente libre de contaminación con CO2
y demás derivados de la combustión realizada por los motores de combustión interna (Cell, 2007).
42 tiene como objetivo que en el año 2020 un porcentaje del 2% de los vehículos europeos se movilicen por medio de pilas de combustible a Hidrógeno (Peretti, 2005).
42
3. METODOLOGÍA
Para la ejecución del tema propuesto, se utilizará investigación bibliográfica debido a que se reunirá, clasificará y estudiará toda la información adquirida mediante las diferentes fuentes como: libros, internet, revistas, documentos y así analizar el desempeño de una celda de combustible que alimentara a un motor eléctrico.
Se utilizará también la investigación descriptiva ya que por medio de esta investigación se podrá estudiar la función que cumple cada uno de los elementos que conforman el banco de pruebas y así llegar a determinar el funcionamiento y desempeño.
La investigación experimental también se tomará en cuenta para el desarrollo de este tema, debido a que se realizara varias pruebas bajo diferentes parámetros como son: potencia del motor eléctrico D/C, temperatura y presión.
En este proyecto se diseñará y construirá un banco de pruebas para medir la producción de electricidad utilizando una pila de combustible, el banco de pruebas está compuesto de un tanque de hidrógeno, una pila de combustible y un motor eléctrico, y el panel de control en donde está la instrumentación para mediciones.
43 La pila de combustible al ser un dispositivo que consume reactantes tiene como resultado productos que no fueron consumidos en su totalidad como hidrógeno y aire, el hidrógeno no utilizado se lo determina mediante la ecuación [38], el aire al ser parte de los productos no consumidos se lo calcula de con la ecuación [41]
Una vez obtenidos los valores anteriormente calculados se determina el calor generado por la pila de combustible utilizando la ecuación [27].
La pila de combustible al ser un dispositivo de generación de electricidad se necesita determinar la eficiencia la misma que se calcula con la ecuación [42]. En base a los diferentes resultados se ejecutarán comparaciones con el propósito de analizar el desempeño de la pila de combustible a diferentes condiciones.
44
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 DEPÓSITO DE HIDRÓGENO
La empresa INDURA se encarga de satisfacer las necesidades de varios campos industriales entorno a materia de gases, soldadura, equipos y productos complementarios.
Esta empresa en la producción de gases utiliza los procedimientos más adecuados para cada gas y cada país como indica en la figura 22, los mismo que aseguran un nivel de pureza garantizado y un abastecimiento expendito y económico. En el caso de la obtención del hidrógeno se lo obtiene mediante electrolisis proceso en donde se separa el oxígeno del hidrógeno mediante electricidad.
Figura 22. Cilindro de hidrógeno INDURA
(INDURA, 2015)
45 e ISO y así garantizando seguridad para su transporte y almacenamiento, poseen un color identificativo para cada país.
En la tabla 8 se observa características del cilindro de hidrógeno y a su vez del hidrógeno como gas:
4.1.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CILINDRO DE HIDRÓGENO
Tabla 8. Ficha técnica del cilindro de hidrógeno e hidrógeno como gas.
(INDURA, 2015)
4.2 PILA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM, FCS – C 100
46 limitar el suministro del hidrógeno. Para su inicio se formó con productos pequeños que necesitaban pocas cantidades de hidrógeno y con el tiempo se fueron desarrollando productos más avanzados y grandes, con lo cual llego a ser uno de los productores más grandes de pilas de combustible por debajo de los 1000w y su distribución se la hace en más de 65 países a nivel mundial, con proyección al lanzamiento de celdas de combustible de 5000W a 100000W.
La pila de combustible a utilizar en este proyecto se encuentra en la figura 23, debido a las características de la tabla 9.
Tabla 9. Características Pila PEM
Pila de combustible
Marca Horizon Fuel Cell
Modelo FCS – C100
Lugar de origen Singapur
Figura 23. Pila de combustible FCS – C100
4.2.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA PILA DE COMBUSTIBLE FSC – C100.