Las células de combustible y el motor alternativo (página 2)

3.- El motor
eléctrico:

Los factores limitantes del motor de explosión no
existen, al menos en destino, en el caso del motor
eléctrico. Por supuesto, otro problema es el de la
conversión de la energía química en
energía eléctrica en las centrales térmicas
que estaría afectada idéntico problema
limitante.

El motor eléctrico se ha usado en la
tracción mecánica desde hace mucho. Los
tranvías, los submarinos y muchos barcos se mueven con
motores
eléctricos. En estos vehículos se transforma
previamente la energía química de los combustibles
o la energía
nuclear en energía térmica que se
utilizará para mover émbolos o turbinas que, a su
vez accionarán alternadores o dinamos productoras del
fluido que accionará al motor.

La batería es un instrumento de
acumulación de energía poco eficaz

Las baterías de Plomo /Pb2+ y de
Ni/Cd.

Una batería normal de coche de 70 Ah de
dimensiones tienen unas dimensiones estándar de27*14*17 cm
y pesa cerca de 20 kg.

La energía máxima que
acumula la batería de 12,3 voltios y 76 Ah es de 3365
Kj:

Esa energía
equivale a la que se obtendría por la combustión de 40 g. de H2 con
una eficacia del
58%.

H2+1/2 O2 Û H20 D H=-144 Kj/g. de hidrógeno quemado

40 g de H2 liberan 5760 Kj que si aprovechan
con un rendimiento del 58% equivaldría a toda la
energía acumulada por la pila.

 En el mismo volumen de 6
litros, pero con un peso de menos 2 kg., se podría
acumular a la temperatura de
25º y a la presión de
150 atms.

que equivale a 37 moles, es decir el equivalente de
74 g. de H2. (1,85 veces superior)

El valor en
volumen es algo menor que el 50% pero en cambio, la
relación ponderal es 10 veces superior:

Tablas termodinámicas

En general, la mejor concentración
energética en relación a la masa del
depósito corresponde al hidrógeno comprimido a 150
atm.

Si estudiamos la eficacia de la energía
eléctrica se sabe que las baterías en realidad
funcionan siempre muy por debajo de las prestaciones
máximas de acumulación.

4.-Las células de
combustible:

 4.1.-
Introducción:

Estas células generan electricidad
directamente de un combustible sin emitir
contaminantes.

Elevada eficacia, baja emisión de contaminantes,
operación silenciosa e instalación rápida.
Las células de combustible son un candidato ideal para
utilizarlos como generadores donde no es posible utilizar
generadores que perjudican el medio
ambiente.

La célula de
combustible convierte la energía química de un
combustible en electricidad directamente, sin ningún ciclo
de combustión intermedio.

Las células de energía promueven una
transición hacia las energías renovables y por
tanto son muy variadas en cuanto a combustibles se refiere,
pueden utilizar "Hidrogeno,
Metanol, Etanol, Gas Natural,
Gas Licuado de
Petróleo, esta energía puede ser
desplazada por la biomasa, eólica o energía
solar.

La célula de combustible fue inventada por Sir
William Grove en 1893 , una des sus utilizaciones fue el
suministro de energía a las naves espaciales
Géminis y Apolo . Ahora las células de combustible
están notablemente mejoradas y formando conjuntos
pluricelulares pueden llegar a contribuir a las necesidades
energéticas de un país.

Central de Energía basada en células de
combustible, representada esquemáticamente .Un
combustible, que podría ser carbón o gas o un
destilado del petróleo,
se convierte, a través de un tratamiento del combustible,
en un gas rico en hidrógeno, que es el que entra en las
células de combustible. La energía generada por una
sección energética de células de combustible
es corriente continua, que debe convertirse mediante un
transformador de energía en corriente alterna
para su distribución.

Tabla 1- Impacto Ambiental
de las Células a Combustible

4.2.-Definición:

Son dispositivos electroquímicos que convierten
directamente energía química en eléctrica,
con una alta eficiencia. Sin
partes móviles internas, las Células de Combustible
operan de forma similar a las pilas secas,
excepto que para la producción continua de electricidad
requieren el suministro continuo de combustible, normalmente
hidrógeno. Funcionan bajo el principio de intercambio de
carga electrolítica entre una placa de ánodo
positiva y una placa de cátodo negativa. Cuando se utiliza
hidrógeno como combustible básico se produce
hidrólisis inversa, produciendo agua y
calor como
subproductos, sin producir contaminantes.

Las Células de combustible no obtienen la
energía de la manera clásica en la que una
combustión produce energía calorífica,
esta a su vez se convierte en energía mecánica y finalmente la energía
mecánica se transforma en electricidad. Las
Células de combustible combinan las moléculas de
un combustible y un oxidante sin el proceso de
combustión, evitando así la polución y
obteniendo un mayor rendimiento.

4.3.-Descripción:

Una célula de combustible consta de dos
electrodos – un electrodo positivo, el cátodo, y un
electrodo negativo, el ánodo – separados por un
electrolito, que transmite iones pero no electrones. Un
combustible, típicamente el hidrógeno, se
suministra al ánodo y el oxigeno del
aire se
suministra al cátodo.

Un catalizador en el ánodo poroso hace que las
moléculas de hidrógeno (H2) se disocien
en iones hidrógeno (H+) y electrones. Si el
electrolito es ácido, los iones hidrógeno emigran a
través del mismo hacia el cátodo, donde reaccionan
con los electrones (suministrados a través de la carga del
circuito externo) y oxigeno para formar agua (H2O). La
naturaleza del
Ion emigrante depende del electrolito. Los iones hidrógeno
emigran del ánodo al cátodo en un electrolito
ácido; los iones hidroxilo (OH-) emigran del
cátodo al ánodo en un electrolito alcalino; los
iones carbonato (CO3-2) emigran del
cátodo al ánodo en un electrolito de sales de
carbonatos y los iones oxigeno (O-2) emigran del
cátodo al ánodo en un electrolito de óxido
sólido.
En cada caso , las reacciones producen electrones que , si los
electrodos están conectados por un conductor , circulan de
un electrodo al otro a través del circuito externo .
Puesto que un flujo de electrones constituye una corriente
eléctrica, los electrones que se mueven en el circuito
pueden utilizarse para alumbrar una lámpara, accionar un
motor eléctrico , etc.

El voltaje máximo de corriente continua producido
por una célula de combustible es una función
termodinámica del combustible y del
oxidante.
Para una célula que trabaje con hidrógeno y
oxígeno, el voltaje teórico a
presión y temperatura ordinarias es 1,23 volt.
El voltaje real será de 0,6 a 0,85 volt a causa de las
pérdidas producidas en el interior de la célula.
La corriente producida está controlada por la velocidad de
las reacciones electroquímicas ( la oxidación del
hidrógeno , que implica la separación de electrones
de los átomos de hidrógeno , y la reducción
del oxigeno , que implica la adición de electrones a los
átomos de oxígeno) y también por el
área superficial disponible para las
reacciones.

4.4.-Configuración
práctica:

Puede obtenerse una configuración práctica
para una célula de combustible colocando el electrolito en
una matriz o papel
secante delgado situado entre dos electrodos porosos ( La
porosidad da a los electrodos una gran área
superficial.)
Los catalizadores para las respectivas reacciones
electroquímicas se incorporan en los electrodos. Las
distintas células de combustible se combinan para formar
un " conjunto" o paquete pluricelular cuyo voltaje de salida
equivale al producto del
voltaje de una célula por el número de las mismas.
Una "sección energética" , reunión de
células de combustible diseñada para obtener una
cantidad importante de energía , puede constar de uno o
más conjuntos.

Por tanto una central energética de
células de combustible tendrá que comprender no
sólo células de combustible sino también un
tratamiento del combustible y un acondicionador de la
energía. El tratamiento del combustible convierte un
combustible de suministro , el carbón por ejemplo, o el
gas natural , en un gas rico en hidrógeno , y el
acondicionador de energía convierte la corriente continua
en corriente alterna.

El funcionamiento de una célula de combustible
esta basado en las reacciones electroquímicas entre un
combustible, en este caso un gas rico en hidrógeno
obtenido a partir de carbón o petróleo, y un
oxidante, en este caso el oxigeno del aire. En el ánodo de
la célula las moléculas de hidrógeno se
oxidan (se separa un electrón de cada uno de los dos
átomos de hidrógeno de la molécula) para
formar iones hidrógeno.
Los iones se transportan a través del electrolito hasta el
cátodo, y los electrones circulan a través de un
circuito externo hasta el cátodo, produciendo
energía. En el cátodo los iones hidrógeno,
electrones y oxígeno forman agua. La célula
convierte, pues la energía química de un
combustible en electricidad directamente, sin recurrir a
ningún ciclo de combustión intermedio.

4.5.-Tipos de Células de
Combustible:

Alcalinas:

Largamente utilizadas por la NASA en misiones
espaciales, estas células pueden generar energías
con eficacias mayores del 70%. Utilizan hidróxido
potásico alcalino como electrolito. Un estudio reciente
demuestra que son demasiado caras para aplicaciones comerciales
pero algunas compañías se han interesado en
reducir costos y
facilitar así su comercialización.

Óxidos Sólidos:

Otra prometedora célula de combustible es la de
óxidos sólidos que pueden se utilizadas en
grandes estaciones generadoras de energía, ya que es muy
adecuada para el suministro grande de energía.
También ha sido utilizada en algún prototipo de
automóvil. Una célula de 100 kilowatts ha sido
probada en Europa y dos
más pequeñas de 25 kilowatts están
conectadas en la red eléctrica en
Japón. El sistema de
óxido sólido utiliza frecuentemente materiales
cerámicos duro en vez de un líquido
electrolítico, permitiendo operar en temperaturas
próximas a 1000 grados centígrados .
Podrían alcanzar eficacias próximas al 60%. Un
tipo de células de combustible de óxido
sólido utiliza un conjunto de tubos largos. Otra
versión es un disco comprimido que tiene unidos por
encima un distribuidor del sólido.

Ácido fosfórico:

Es el tipo de células de combustible mas
desarrollado para el comercio. Es
usado en diversas aplicaciones en hospitales, en
guarderías, hoteles,
edificios de oficinas , escuelas , en plantas
útiles de energía y en aeropuertos. Las
células de combustible de ácido fosfórico
generan electricidad en más de un 40% de eficacia y
más de un 85% si la energía producida es
utilizada por cogeneración, la diferencia es clara con
un 30% de la eficacia de un motor de combustión interna.
Estas células operan en el rango de 400 grados
centígrados. Estas células pueden ser utilizadas
en vehículos de largos desplazamientos como los
autobuses y las locomotoras.

Membrana de Intercambio de Protón o
Polímero Sólido:

Estas células operan a una temperatura
relativamente baja cerca de 95 grados centígrados ,
tienen un gran poder
energético, pueden variar rápidamente su
suministro de energía en función de la demanda
energética , tienen diversas aplicaciones sobre todo en
automóviles ya que éstos requieren un
rápido suministro de energía y tienen muchas
variaciones en la demanda energética

Carbonatos de intercambio
iónico:

Las células de combustible de carbonatos
prometen una alta eficacia en la conversión de
combustible en electricidad y la posibilidad de consumir
combustibles basados en el carbón. Estas células
operan en los 650 grados centígrados. La primera
célula de combustible de carbonatos de intercambio
iónico fueron estudiadas en el 1996

Otras células de combustible:

Un nuevo miembro ha venido a unirse a los tipos
existentes, son las células de combustible de "metanol
directo" que se están estudiando y probando en
laboratorios privados y del gobierno de
USA.

Tabla 2- Tipos de Células a
Combustible

4.6.-Obtención del hidrógeno a
partir del petróleo:

Durante la segunda guerra
mundial importante industrias
químicas alemanas (Ruhrchemie, BASF) desarrollaron
métodos
de síntesis
de gasolinas a partir del carbón y del C0. En realidad el
proceso que se perseguía era el contrario al que
presentamos ahora:

Carbón + hidrógeno Û hidrocarburos

Estos procesos
fueron utilizados y permitieron desarrollar de forma importante
la química de los catalizadores de los elementos de
transición.

El proceso que se plantea en la actualidad para las
células de combustible es contrario. En general se
desarrolla en dos niveles: 

1.     Hidrocarburo + vapor de agua
   Û hidrógeno + CO
   proceso endotérmico, favorecido por la
   temperatura.
2.    CO + vapor de agua Û hidrógeno + CO2
   proceso exotérmico.

   Los valores
   para el caso concreto
   del metano

CH4 + H2O Û CO + 3 H2 D H=205 kJ/mol

Esta reacción está favorecida por la
temperatura ya que implica un cambio entrópico
positivo.

La reacción funciona con hidrocarburos ligeros,
hasta el octano. El vapor de agua hace pasar por el
hidrocarburo que lo arrastra y, este se hace pasar por un
catalizador de níquel activado que debe estar caliente
sobre 750 ºC.

El monóxido de carbono se
arrastra igualmente con vapor de agua que pasa por un
catalizador de hierro y
cobre

CO + H2O Û CO2 + H2
D H=-42 kJ/mol

 PROCESOS ANÁLOGOS:

Metanol:

CH3OH + H2O Û CO2 + 3H2 proceso
a temperatura elevada

Etanol:

CH3-CH2OH + H2O
Û 2CO+ 4H2 proceso
a temperatura elevada

2CO+2H2OÛ
2CO2+2H2 proceso a baja temperatura
exotérmico.

Rendimientos:

El motor de Hidrógeno.

H2 + ½O2 Û H2O (l) D H=-252.13 kJ/mol D
G=-237 kJ/mol D S=-0,0534
kJ/molºK

El carácter antientrópico de la
reacción haría que el calor liberado se
anularía con el sumando TD S a
la temperatura de 5000ºK. (D
G=O);

Por otro lado la energía mecánica de un
motor de explosión es directamente proporcional a la
temperatura.

W=P.V=nRD T (expansion
isobárica)

De hecho el rendimiento de una máquina
térmica es directamente proporcional al gradiente
térmico:

Eficiencia= (Tmotor-
Tambiente)/Tmotor. (1)

Por tanto, en una máquina térmica que
utilice una reacción de síntesis, afectada por una
variación negativa de la entropía, se contrapone la eficiencia del
motor con el rendimiento energético del
combustible.

  En cambio, la extracción
energética en un proceso no térmico posee un mejor
rendimiento:

No se pierde el rendimiento por acción
entropía ya que el proceso se realiza a baja
temperatura.

No está afectado por la ecuación de la
eficiencia (1)

Rendimiento de un motor de explosión que
utilice hidrógeno (temperatura de combustión
600ºC)

Rendimiento = Rendimiento combustible * Eficacia
Máquina.

Rendimiento= 0,31* (873-298)/873 = 0,21 es decir un
21%

  4.7.- El motor de
hidrógeno:

Proceso de Transformación del hidrocarburo en
H2 :
………………………………….

Proceso de electrólisis del agua
……………………………….

Proceso de célula de combustible: H2 +
½O2 Û
H2O + EE 80%

Proceso de motor eléctrico: 90% EE® MOTOR® EM
(transformación de energía eléctrica en
mecánica)

H2 ®
VEHÍCULO ALTERNATIVO ®
0,8*0,9=0,72 (Rendimiento energético óptimo 72%
contenido energético H2)

En consecuencia:

El rendimiento de un vehículo eléctrico
que utilice una célula de combustible es del 72 %
(Temperatura de funcionamiento 40º) que equivale a 166
kJ/mol H2 o 83.16 kJ/g.H2

El rendimiento de un vehículo de
explosión que utilice hidrógeno como combustible
tienen un rendimiento del 21% (temperatura
600º).

La eficacia del motor alternativo
alimentado con H2 es 3,41 veces la del motor de
explosión.

Tablas termodinámicas

4.8.-Estimación
energética:

En una estimación aproximada de la eficacia
global de una central energética, desde el combustible
hasta la energía en forma de corriente alterna, podemos
recurrir a la ecuación .
Np = 59 Vc

• Np : es la eficacia de la planta en %
• Vc : Voltaje de una célula

Esta relación es precisa, con un 5 por ciento de
margen e ilustra sobre la importancia del voltaje de una sola
célula en el establecimiento de la eficacia global de una
planta.

Las células de combustible pueden clasificarse
por el electrolito, por la temperatura de operación, por
el oxidante y por el combustible.

Los electrolitos que están estudiándose en
la actualidad son el ácido fosfórico y las sales
carbonatadas fundidas.

4.9.-El interés de
la célula de combustible:

El interés de la célula de combustible
como central energética de suministro procede de su
eficacia, su aceptabilidad respecto al medio ambiente y su
configuración modular.
En lo que respecta a la eficacia el punto clave es que, al no
tratarse de una máquina térmica, la célula
de combustible no está limitada por el ciclo de Carnot ,
que describe los límites de
la eficacia de las máquinas
térmicas.
Por tanto , la célula de combustible ofrece la posibilidad
de lograr eficacias de conversión mayores que las que
pueden conseguir los generadores térmicos.
La eficacia de la célula de combustible es aproximadamente
constante en el intervalo de 25 a 100 por ciento de su potencia
energética

La última creación de Renault es un
vehículo de investigación , denominado Fever , equipado
con una pila de combustible que funciona con hidrógeno
líquido. Desarrollado dentro del programa europeo
para la racionalización de la energía, el Fever ha
sido construido sobre la base de una Laguna Break y dispone de
una autonomía de 500 kilómetros

También se ha visto en el salón de Tokyo
el Toyota FCEV , un coche sobre la base del RAV4 , bajo una
configuración 4×2, ha presentado una versión
alimentada por pila de combustible. La
electricidad es conseguida gracias a que el metanol se convierte
en hidrógeno y CO2, tras ser mezclado con agua.
El hidrógeno reacciona con el oxígeno del aire
creando una energía eléctrica y formando nuevamente
agua. No es un motor de "Cero emisiones", pero se le acerca
bastante.

Combustible, la compañía de suministro
puede evitar inversiones en
nuevas líneas para la transmisión y
distribución de la energía pudiéndose
así reducirse las pérdidas producidas por la
resistencia de
los conductores de distribución.
En un coche se puede introducir la célula de combustible
para producir energía capaz de propulsar a un motor
eléctrico si se soluciona el problema de almacenamiento de
hidrógeno , pudiendo utilizarlo como
carburante.

El Toyota FINE-S, un concepto de
vehículo eléctrico híbrido con
células de combustible de hidrógeno mostrado en la
Exposición Internacional Norteamericana de
Automóviles en Enero de 2003. Copyright( Toyota
Motors.)

5.- Gráficos:

En la práctica poseemos la siguiente
pila

Las estaciones de repostaje de hidrógeno como
ésta en Vancouver, Canadá, aún son raras. El
vehículo recargando es un Ford FCV. Copyright Powertech
Labs.

6.- Bibliografía:

• El presente trabajo esta
  netamente basado de las páginas de información de Internet.
• Mas información en la siguientes
  paginas:

_

_
www.energy.rochester.edu/uk/chpa/17sep1996.htm

_ www.mtc.com

_ www.barrameda.com

_ www.ciencia.nasa.gov

_ www.fuelcelltoday.com

_ www.mot.com

_ www.navc.org/link2.html

_ www.ttcorp.com/nha/thl/von_96.htm

_ www.imt.mx/espano/notas/23/art1.html

_ www.internel.com.mx/g
roololo6.html

_ Biblioteca
de consulta Encarta 2005

_Discovery Channel

Realizado por:

Luis alejandro Gonzales Espinoza.

Estudiante de Física de la
Universidad
del Callao.(U.N.A.C)

U.N.A.C – 2006.

PERÚ

DATOS PERSONALES

País y ciudad de nacimiento del
autor.

País: Perú

ciudad de nacimiento del autor: Lima –
Cañete – San Vicente

Título, país, ciudad y fecha
correspondientes al trabajo realizado.

Titulo: Las Células de Combustible y el
Motor Alternativo.

El presente trabajo se realizo entre los meses
de junio – julios del 2006

Una breve biografía del autor,
 donde pueden incluirse sus antecedentes, estudios
realizados, profesión  y demás
información que se considere
necesaria.

Nací el 24 de febrero de 1978, en el pueblo de
San Vicente – Cañete me llamo LUIS ALEJANDRO
GONZALES ESPINOZA, que mis padres son: doña Ladimir
Espinoza Chávez y Don Alejandro Gonzales Arias.
Estudios primarios en Imperial (provincia de Cañete) en el
Colegio 20146 conocido como "Elemental" y estudios Secundarios en
el Colegio de Varones "C.N.I" (Colegio Nacional de
Imperial).

Llevo estudios Superiores en la Universidad Del Callao
(U.N.A.C) facultad de Ciencias
Naturales y Matemáticas, escuela
profesional de Física.

Actualmente soy Experto en Ensamblaje de Computadoras.

Me fascina la Ciencia
Ficción, leo mucho acerca de los armamentos que se usaron
mucho en la Segunda Guerra
Mundial y toda la lucha de la guerra
fría.

Admiro mucho a Albert Eisntein, Galileo y Stephen
Hawking, etc.