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Diseo y construccin de un electrolizadory una pila de combustible para producir energa

elctrica libre de contaminantes

Autores:

Fonseca Ortuo JonathanGonzlez Hernndez RafaelZiga Moreno Jos Pablo

Asesor:Doc. Omar Solorza Feria

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INTRODUCCIONEn la primer parte se muestra una investigacin terica acerca de losprincipales energticos, y su uso actual, se incluyen los principalescontaminantes del aire ya que la emisin de esos provoca daos en el medio

ambiente. Se propone el hidrgeno como una alternativa para evitar elconsumo masivo de combustibles fsiles, por su ms alto contenido energticopor unidad de masa y por no emitir contaminantes al ser usado en procesos decombustin y reacciones electroqumicas.Se proponen los electrolizadores de agua con membrana de intercambioprotnico para la produccin de hidrgeno, el cual puede ser utilizado comocombustible en forma gaseosa y liquida en diferentes dispositivos.En la segunda parte se presenta el diseo y como se llevo a cabo laconstruccin del electrolizador de agua y de la celda de combustible, amboscon membrana polimrica de intercambio protnico.Se incluye la parte experimental en donde se describe la tcnica deactivacin de las membranas, la preparacin de las tintas catalticas y eldepsito de stas en las membranas, el electrolizador y la celda secaracterizaron a partir de respuestas electroqumicas.Planteamiento del problema:Nos pareci una buena idea proponer una forma de energa renovable,ya que ante el agotamiento inevitable de combustibles convencionales, elhidrogeno ser en un futuro una de las soluciones para el problema ecolgicoglobal. La utilizacin de la celda de combustible como medio para convertirenerga qumica en energa elctrica, consideramos que es la forma ms viablepor que no emite contaminantes, pues es una energa limpia.Objetivo generalHacer una celda de combustible con su electrolizador para producir

hidrogeno y usarlo para producir energa elctrica.Objetivos especficosHacer un aparato que genere energa elctrica, con el propsito de noutilizar combustibles contaminantes que contribuyan al dao ecolgico,teniendo en mente que podra ser una alternativa ante el agotamiento decombustibles fsiles y al gasto que contribuye su extraccin y produccin.Marco terico y antecedentes:Principales energticos y principales contaminantes del aire: (fig. 1) Monxido de Carbono (CO): En bajas concentraciones produce mareos,

jaqueca y fatiga, mientras que en concentraciones mayores puede ser fatal. Elmonxido de carbono se produce como consecuencia de la combustinincompleta de combustibles a base de carbono. Dixido de Carbono (CO2): Es el principal gas causante del efectoinvernadero. Se origina a partir de la combustin de carbn, petrleo y gasnatural. La inhalacin es txica si se encuentra en altas concentraciones,pudiendo causar incremento del ritmo respiratorio, desvanecimiento e incluso lamuerte. Plomo: Es un metal de alta toxicidad y cancerigeno que ocasiona diversostrastornos. Puede afectar el sistema nervioso y causar problemas digestivos. Dixido de azufre (SO2): Es un gas inodoro en bajas concentraciones, pero

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en alta concentracin despide un olor muy fuerte. Se produce por lacombustin de azufre y proviene de ciertos procesos industriales, como lafabricacin de papel y la fundicin de metales. Al igual que los xidos denitrgeno, el dixido de azufre es uno de los principales causantes del smog yla lluvia cida.Hidrgeno:El cientfico Herry Cavendish lo descubri cualidades del "aire flamable",a lo que el francs Antoine Laurent Lavoisier le llam "hidrgeno" en 1785.EL hidrgeno es el ms abundante, se considera que constituye el 75%de la masa del universo y forma el 90% de sus molculas. Tiene ms altocontenido energtico que la gasolina y el gas natural, es 14 veces ms ligeroque el aire.Propiedades bsicas del hidrogeno: Gas inodoro, incoloro y no toxico Densidad energtica de 120 KJ/ g Peso molecular 2.016g/ mol Punto de ebullicin -252.07C

Punto de fusin -259.2CFormas de producir hidrogeno:Como el hidrogeno se encuentra en combinacin con otros elementos, se tieneque producir de combustibles fsiles o del agua antes de ser usado comocombustible, las siguientes son algunas formas de obtenerlo: Reformacin cataltica Electrolisis de agua Descomposicin trmica del agua a 2000C Gasificacin de la biomasa Foto electrlisis de aguaUso del hidrogenoEl uso del hidrogeno puede ser desde en forma directa a una estufa, unmotor de combustin interna o en celdas de combustible. La ultima opcin es lamejor para el uso de hidrogeno, ya que no emiten contaminante alguno, sonverstiles, tienen gran capacidad modular y altas eficiencias en latransformacin de la energa qumica del hidrogeno en energa elctrica.Celda de combustible con membrana polimricaUna celda de combustible es una celda electroqumica galvnica, dondelas reacciones espontneas proporcionan un trabajo til debido a que lavariacin de la energa libre de gibbs de las reacciones es menor que 0 (G

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resiste el ataque de bases y cidos fuertes, alto grado de disociacin y altaconcentracin de iones mviles (H +)1-[(CF2-CF2)2-CF-CF]- CF3[O-CF-CF-]m-O-CF2-CF2-SO3 H+Donde: 2 310>= n >=6M >= 1Con las membranas mas delgadas se obtiene una mayor densidad decorriente, pero es menos durable y ms difcil de preparar y manejar, paraelegir el grosor de la membrana adecuada, debe tomarse en cuenta el uso.Desarrollo:1.-Activacin de la membrana de NafionUtilizamos una membrana de 116 el proceso para activarla consta de 4baos en cada uno de los baos se mantiene una temperatura constante de 80C: Bao de 1hr en H2O2 al 3% en volumen.

Remueve las impurezas orgnicas de la membrana. Bao de 1 hr en H2O desionizada.Disuelve las impurezas que hayan quedado en la superficie e hidrata. Bao de 1hr en H2SO4 2M.Remueve los contaminantes de iones metlicos. Bao de 1hr en H2O desionizadaRemueve el H2SO4 de la superficie e hidrata la membrana.2.- Preparacin de las tintas catalticas para el electrolizadorSe prepararon 2 diferentes tipos de tintas, una para el nodo y otra parael ctodo.La tinta del nodo contiene, xido de rutenio y cobalto, Nafion Liquidomonmero y Etanol.La tinta del ctodo contiene Platino nanomrico, Carbn Vulcan, Nafionmonmero y Etanol.Las tintas se prepararon as: Se pes la cantidad calculada de cada catalizador en una balanza analtica.(SHIMADZU). (fig. 2) Se le agreg al vial una cantidad de catalizador, y despus Nafionmonmero al 5% y al ltimo alcohol etlico. Por ltimo se agit la mezcla de. compuestos y solventes en un ultrasonido(BRANSON 2210) por 10 minutos para fragmentar los slidos.Pintado de las membranas por aspersin mediante un modulo semiautomtico: Se coloc la tinta cataltica para el nodo en el aergrafo con agitacin para

evitar precipitados que tapen el aergrafo, se pinto por capas (fig. 3)1. El espinazo de fluorocarbono es parecido al tefln2. Cadenas de lado, que contactan el espinazo molecular a laregin tercera3. Grupos de iones de acido sulfonico Anlogamente se pint por la otra cara de la membrana, con la tintacataltica para el ctodo. Ya pintados ambos lados, se planch en caliente la membrana protegidapor 2 cubiertas de tefln a 120 C y 110 atm por ambos lados por 5 min.

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Se sac de la plancha y se dej secar.3.- Fabricacin de la celda de combustible y electrolizador:Decidimos que la coraza fuera de acrlico con el fin de evitar la oxidaciny que fuera ms demostrativo. Se disearon los modelos en acetatos con ayuda del programa Auto Cadpara que despus sirvieran como gua para la elaboracin de las estructuras.(fig 4) Las corazas fueron cortadas con una cinta sierra y los campos de flujos conuna fresadora manual. (fig 5) Para evitar fugas de agua entre las paredes del electrolizador y de la celda,se agreg silicn; y empaques de sellador para evitar la corrosin.Componentes del Electrolizador:Entre las dos placas de acrlico se colocaron: 2 empaques de sellador, al tamao de la coraza 2 telas de carbn de 2cm x 2cm 2 electrodos con malla de acero inoxidable, ya que las mallas distribuyen loselectrones de la corriente directa por toda la superficie del catalizador, y a su

vez se utilizan para que a travs de ellas fluyan los gases recin formados ypuedan ser liberados a las salidas. Membrana con catalizador.Se ajusto el electrolizador para ser sellado con 4 tornillos (fig. 6)Componentes de Celda de combustibleEntre las dos placas de acrlico se colocaron: 2 empaques de sellador, al tamao de la coraza 6 colectores de corriente, para captar los electrones y usarlos. 3 Membranas con catalizador.Se ajusto el electrolizador para ser sellado con 10 tornillos (fig 7.1 y 7.2)RESULTADOS

4.- Caracterizacin del electrolizador:

Se realiz mediante ensayos de polarizacin galvanosttica, con un EG &PRINCETON APPLlED RESEARCH. (fig.8) Se conect el electrolizador al Galvanostato aplicndole una corriente ytomando en cuenta el ltimo valor del voltaje. Se aplico la corriente desde 0.1 A hasta 1.0 A en intervalos de 0.05 A por 3minutos cada uno, anotando en cada prueba los valores del voltaje paraposteriormente realizar una grafica (fig. 9)5.- Caracterizacin de la celda de combustible Se realizo por escaneo de voltaje contra corriente, con un sistema degalvanostato - controlador de flujo de gases conectados a una computadora.(fig 10)

Se conecto la celda al sistema, aplicando una alimentacin constante dehidrogeno y oxigeno. (fig 11) Se dejo correr el equipo y usando los valores se creo la curva decaracterizacin. (fig 12)Datos tericosVolumen de hidrogenoSe obtiene de la expresin:V= { [ (IA)(s)(Vn) ] / [ (F)(eq) ] } ISi I= 98.94% (segn datos experimentales mas comunes)

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V= { [ (1A)(60s/min)(24400ml)] / [(96484As/eq)(2eq) ] } 0.9894=7.5ml/ min. de hidrogeno a 1 atm y 25 CEficiencia energticaSe obtiene de la expresin:= (1.48V / EexpV) I= (1.48V/ 2.78V) 98.94%= 52.67%El 2.78 se obtiene de los datos de la curva de caracterizacin delelectrolizador, cada valor tiene distinta eficiencia, pero es preferible usaproduccin alta a eficiencia baja, que produccin baja a eficiencia alta.Eficiencia ideal de voltajeComo el potencial estndar de reduccin del hidrogeno es 0. El voltajeesta determinado totalmente por el potencial estndar de reduccin deloxigeno, el cual es de 1.23 VAnlisis de resultadosSegn la curvas de caracterizacin; el electrolizador es capaz dealimentar a la celda y esta a su vez producir energa elctrica a una eficienciamuy aceptable, a comparacin de los motores de combustin interna, sin

producir desecho daino al medio ambiente, por lo que cumpli nuestrasexpectativas y los objetivos planteados en este trabajo.ConclusionesEl sistema electrolizador-celda de combustible, es una forma muyeficiente y limpia de producir energa, sin causar daos al ambiente. Muyprobablemente ser el futuro energtico, ya que esta en vas de desarrollo y essustentable.AgradecimientosColegio Anglo Mexicano de Coyoacan, en especial a los profesores: CarreraRamon, Cid Cesar y Gonzalez Abel; quienes ayudaron y resolvieron grandes dudas.Centro de investigacion y estudios avanzados (CINVESTAV-IPN)Al doctor Omar Solorza quien asesoro minuciosamente cada paso de la elaboraciondel proyecto.Al ingeniero Andres Rodriguez que nos guio al proceso de diseo.Bibliografa J. Rifkin, La economia del hidrogeno, Ed. Prados, Espaa, 2002. H. M. Vullullas y col., Electroquimica fundamentos y aplicaciones en un enfoque

interdisciplinario, Ed. Universidad Nacional de Cordoba, Argentina, 2000. S. Thomas, and M. Zalbowits, Pilas de Grove-Potencia Verde, Los lamos

Nacional Laboratory, 2002. www.education.lanl.gov/resources/fuelcells Brown, LeMay, Bursten, Quimica la ciencia central, Ed Prentice Hall, Mxico,

2004 Chang, Quimica, Ed. Mc Graw Hill, Colombia, 2005.

Anexo de imgenes:Fig 1 uso de energticos

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Fig 2 balanza analtica

Fig 3 aergrafo

Fig 4 diseos de auto cad Electrolizador Celda de Combustible

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Fig 5 fresadora manual

Fig 6 electrolizador

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FIG. 6.1.Funcionamiento de electrolizador

Fig 7.1 celda de combustible desarmada

Fig 7.2 armando la celda de combustible

Fig. 7.3. Funcionamiento celda de combustible

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Fig 8 galvanostato

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