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sobre el tipos de celdas de combustibles como empezaron
Tipo: Apuntes
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Universidad Privada del Estado de México “UPEM” Plantel Central Ecatepec CELDAS TIPOS DE CELDAS Elaborado por Jonathan Emilio Martinez González Materia: Quimica II Ingeniería Industrial 2do Cuatrimestre Profesor: Ivonne García Ramírez Edo de Méx , Ecatepec, 03 Marzo 2020
La pasta de electrolitos se fabrica con diferentes productos químicos, como NH4Cl (cloruro de amonio) o MnO2 (dióxido de manganeso), dependiendo del tipo de pila (alcalina, zinc-carbono, etc). A continuación de la pasta de electrolitos hay una capa de papel, cartón o material sintético que separa la capa más externa, que es un cilindro metálico llamado ánodo fabricado normalmente de zinc. Como funciona una pila seca? Una pila seca tiene dos terminales, uno es el polo positivo y otro el polo negativo. Cuando una carga se conecta a los terminales de la pila tiene lugar una reacción química entre los electrolitos del ánodo y los electrolitos del cátodo. La reacción genera un flujo de electrones (corriente eléctrica) que se conduce a través de un colector hacia el circuito del dispositivo que haya conectado a la pila. Cada grupo de ánodo-electrolitos-cátodo recibe el nombre de celda o célula electroquímica. Se pueden conectar varias de estas celdas dentro de una misma batería o conectando varias pilas en serie para producir un voltaje superior. La reacción química que se produce en cada celda va consumiendo los reactantes hasta que queda agotados, momento en el que la pila ya no producirá más energía eléctrica. Las pilas y baterías recargables se pueden conectar a un dispositivo especial que revierte la reacción química permitiendo que la pila vuelva a funcionar. Tipos de celdas Hay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tiene lugar una reacción redox, y la conversión o transformación de un tipo de energía en otra:
En muchas de estas reacciones se descompone una sustancia química por lo que dicho proceso recibe el nombre de electrólisis. También se la conoce como cuba electrolítica. A diferencia de la celda voltaica, en la celda electrolítica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo que hay un solo recipiente en el que tienen lugar las dos semirreacciones. Tipos de membranas Las membranas heterogéneas se definen por estar compuestas por un material de intercambio de aniones embebido en un compuesto inerte. Según el tipo de compuesto inerte se dividen a su vez en polímeros solvatando iones (ISP por las siglas en inglés de ion-solvating polymers) si es una sal y membranas híbridas (hybrid membranes) si se trata de un segmento inorgánico. En las membranas con polímeros solvatando iones se crean enlaces donador-aceptor entre átomos electronegativos de la cadena y los cationes de la sal, esta interacción permite que los aniones puedan moverse a través de la membrana pasando de un catión a otro. En las membranas híbridas generalmente la parte orgánica proporciona las propiedades electroquímicas y la parte inorgánica (silano o siloxano) las mecánicas. La mayoría de las veces las membranas híbridas son sintetizadas por proceso sol-gel, pero hay otras rutas posibles como intercalación, mezcla, polimerización in situ y auto-ensamblado molecular. En las redes de polímeros entrecruzados (IPN por sus siglas de inglés de interpenetrated polymer network) se da la combinación de dos polímeros de forma que conforman una estructura de red cuando al menos uno de los dos es sintetizado o entrecruzado consigo
comparación con los sistemas descritos anteriormente, las membranas homogéneas suelen ofrecer los mejores resultados en pila de combustible, en parte gracias a la homogeneidad en la distribución de los grupos catiónicos fijos en toda la membrana. Que es un catalizador? Sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores no cambian el rendimiento de una reacción: no tienen efecto en el equilibrio químico de una reacción, debido a que la velocidad, tanto de la reacción directa como de la inversa, se ven afectadas.
Aplicación de la catálisis.
- Las enzimas. Sustancias segregadas biológica y naturalmente por el cuerpo de los seres vivos, las enzimas cumplen un rol catalítico muy importante, ya que aceleran procesos químicos vitales que de ocurrir por su cuenta requerirían temperaturas a menudo incompatibles con la vida. La pepsina y la tripsina, por ejemplo, intervienen en la descomposición de las carnes, acelerando así una digestión que de otra forma tomaría mucho más tiempo y esfuerzo. - La temperatura. Algunas reacciones químicas pueden acelerarse sin alterar sus productos con el solo incremento de la temperatura del medio. Así, por ejemplo, elevar la temperatura del agua de la pasta permite que ésta se ablande más rápidamente, actuando como un catalizador extremo. - Luz UV. La luz ultravioleta, junto con un catalizador, permite la fotocatálisis: la aceleración de una reacción química por obra de un catalizador activado por la energía lumínica de la ultravioleta. El ozono y los óxidos de metales en transición son fotocatalizadores comunes. - Catalizadores de paladio. Incorporado a los sistemas de automóviles que usan gasolina sin plomo, estos aparatos contienen paladio o platino en pequeñas partículas en un recipiente que se adhiere a los escapes de los automóviles. Estos metales actúan como catalizadores en el proceso de atenuación del monóxido de carbono y otros gases tóxicos de la combustión, permitiendo reducirlos a vapor de agua u otras sustancias menos peligrosas en tiempo récord. - Cloruro de Aluminio. Este catalizador se emplea en la industria petroquímica para obtener resinas sintéticas o sustancias lubricantes, sin alterar la delicada naturaleza de los hidrocarburos en cuestión, ya que posee propiedades ácidas y básicas al mismo tiempo (es anfótera). - Derivados del flúor. Aceleran la descomposición del ozono (O3 → O + O2), la cual es normalmente una reacción bastante lenta. He allí el problema de los aerosoles y refrigerantes que liberan CFC a la atmósfera: diluyen la capa de ozono. - Sustancias ácidas. Los protones liberados por la mayoría de las sustancias ácidas pueden jugar el papel de catalizadores en determinadas reacciones químicas, como la hidrólisis (separación del hidrógeno) de esteres (derivados inorgánicos del petróleo) Celdas de combustible. Pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, es un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo de combustible y oxidante
Como funciona el combustible. Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica (motores térmicos) dejando como residuo calor (energía térmica), dióxido de carbono y algún otro compuesto químico.
Tipos de celdas de combustible. Ácido fosfórico (PAFC). Temperatura de operación: ~ 220 °C. Es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas, hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y terminales aeroportuarias. Las celdas de combustible de ácido fosfórico generan electricidad a más del 40% de eficiencia - y cerca del 85% si el vapor que produce es empleado en cogeneración - comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna. Este tipo de celdas puede ser usado en vehículos grandes como autobuses y locomotoras. Polímero sólido (PEM). Temperatura de operación: 50 - 100 °C Tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial de energía bastante importante, tal como en el caso de automóviles, de acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, "son los principales candidatos para vehículos ligeros, edificios y potencialmente otras aplicaciones mucho más pequeñas tales como baterías recargables para videocámaras.
Alcalinas. Temperatura de operación: 50 - 250 °C Utilizadas por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito. ¿En qué consiste el combustible de hidrógeno? El combustible de hidrógeno es un combustible de emisión cero que usa celdas electroquímicas o la combustión en motores internos, para propulsar vehículos y dispositivos eléctricos. También es usado en la propulsión de naves espaciales y potencialmente puede ser producido en masa y comercializado para su uso en vehículos terrestres de pasajeros y aeronaves. El hidrógeno está ubicado en el primer grupo y el primer período de la tabla periódica, es el primer elemento de la tabla periódica, convirtiéndolo en el elemento más liviano en el universo. El hidrógeno no es ni un metal ni un no metal pero aún es considerado un no metal. Actúa como un metal cuando es comprimido a altas densidades. Dado que el gas de hidrógeno es tan ligero, se eleva en la atmósfera y por lo tanto raramente es encontrado en su forma pura, H2.[1] En una llama de gas de hidrógeno puro, quemándose en el aire, el hidrógeno (H2) reacciona con el oxígeno (O2) para formar agua (H2O) y liberar calor. 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) Si se produce en el aire atmosférico en vez de oxígeno puro (como normalmente es el caso), la combustión del hidrógeno puede producir pequeñas cantidades de óxido de nitrógeno, junto con el vapor de agua. El calor de la combustión le permite al hidrógeno actuar como combustible. Sin embargo, el hidrógeno es un vector energético, como la electricidad, no un recurso de
energía.[2] Las empresas de energía primero deben producir el gas de hidrógeno y esa producción induce impactos ambientales.[3] La producción de hidrógeno siempre requiere más energía que la que puede ser recuperada del gas como un combustible en forma posterior.[3] Esta es una limitación de la ley física de la conservación de la energía. Aplicaciones de combustible de hidrógeno. El hidrógeno se ha utilizado con seguridad durante muchas décadas en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo las industrias de la alimentación, metal, vidrio y química. La industria mundial del hidrógeno está bien establecida y produce más de 50 millones de toneladas de hidrógeno al año. Con respecto a la energía, el hidrógeno puede ser utilizado como combustible para el transporte, y para generar electricidad mediante pilas de combustible. Un kilogramo de hidrógeno libera más energía que cualquier otro combustible (casi el triple de la gasolina o gas natural), y para liberar esa energía no emite dióxido de carbono, sólo vapor de agua, por lo que el impacto ambiental es nulo. Un vehículo de motor de combustión interna de hidrógeno (MCI) utiliza un motor de combustión interna convencional modificado para la combustión de hidrógeno gaseoso. Los vehículos de MCI de hidrógeno son un 30% más eficientes comparados con los vehículos de gasolina, y funcionan bien en todas las condiciones climáticas, incluso a bajas temperaturas. Ventajas y desventajas de las celdas secas y de combustible Ventajas de las celdas de combustible. Con el uso de pilas de combustible se consigue una eficiencia energética de entre 30% y 40%. Son eco amigables, debido a que el gas que emiten al ambiente es vapor de agua a diferencia de las emisiones que producen las energías sucias. Esto se
celda húmeda, puede utilizar pilas secas de forma individual como mini- baterías (comúnmente conocidas como pilas de botón), para alimentar pequeños dispositivos electrónicos como relojes y calculadoras. No hay Líquidos. Como se mencionó anteriormente, las células secas no contienen libremente líquidos en movimiento. Según experiencefestival.com, esta característica de diseño da a las células secas varias ventajas sobre células húmedas, incluyendo ser más ligeros en peso, más fácil de transportar y más fácil de contener (o para agrupar en una serie, con el fin de generar una salida de voltaje más alto). Según basspro.com, debido a su diseño seca, pilas secas también son más duraderas, particularmente en situaciones de alta vibración. Esto es porque los electrolitos fluidos en células húmedas pueden chapotear alrededor y alterar la función apropiada, mientras que los electrolitos en las células secas son fijos. Seguro. Las sustancias químicas que actúan como electrolitos en pilas secas son relativamente seguros, tanto para la manipulación humana y para el medio ambiente, de acuerdo con experiencefestival.com. Estos productos químicos incluyen óxido de manganeso, cloruro de amonio, carbón en polvo y una sustancia de relleno inactivo (que, a menudo es almidón). En contraste, las baterías de celda húmeda utilizan una solución líquida (referido como el ácido de batería) de agua destilada y ácido sulfúrico, la última de las cuales es una sustancia muy corrosiva. Si daña una batería de celda húmeda y comienza con fugas, el ácido de la batería que se derrama puede causar quemaduras, daños en los tejidos y otros traumas severos. Según basspro.com, pilas húmedas también liberan hidrógeno, un gas altamente inflamable, que requiere que se preste especial atención a mantener bien ventilados. De lo contrario, un incendio o una explosión puede resultar. Barato. Pilas secas son menos costosos que los fabricantes producen en comparación con sus homólogos de células húmedas, de acuerdo con experiencefestival.com.
Desventajas de las celdas secas. Ofrecen un muy bajo porcentaje de energía (alrededor del 2%) en comparación a la que se utiliza para fabricarlas. Las no alcalinas duran muy poco en los aparatos de alto consumo. Al ser de un solo uso y desecharse rápido, generan más basura. Algunas aún utilizan mercurio, el cual es altamente contaminante. No son recargables Impacto en el medio ambiente. La generación de electricidad mediante ESFV requiere la utilización de grandes superficies colectoras y por tanto de una cantidad considerable de materiales para su construcción. La extracción, producción y transporte de estos materiales son los procesos que suponen un mayor impacto ambiental. La fabricación de un panel solar requiere también la utilización de materiales como aluminio (para los marcos), vidrio (como encapsulante), acero (para estructuras) etc, siendo estos componentes comunes con la industria convencional. El progresivo desarrollo de la tecnología de fabricación de estructuras y paneles solares supondrá una reducción del impacto ambiental debido a estos conceptos. En la producción del panel solar se produce un gasto energético que genera residuos, como partículas de NOx, SO2, CO2 etc. Esto se debe a que la energía utilizada en la fabricación del panel solar tiene su origen en la mezcla de fuentes energéticas convencionales del país de fabricación. Sin embargo, podemos afirmar que la emisión de estas sustancias debida a la fabricación de paneles solares es reducida, en comparación con la disminución en la emisión de sustancias de este tipo que supone la producción de electricidad por medios fotovoltaicos, en vez de con fuentes convencionales de energía. Un ejemplo de esto es que la producción de la misma cantidad de potencia hora por año en una moderna y eficiente central térmica de carbón, supone la emisión de mas de 20 veces el CO2 que si la producción de la misma cantidad de energía se realizara mediante módulos de Si mono o policristalino fabricados en pequeña escala. La producción de electricidad mediante paneles solares de Si mono o policristalino fabricados en gran escala, disminuye aún más la emisión de CO2, llegándose a reducir hasta cerca de 200 veces la cantidad de CO2 emitida respecto a una central térmica de carbón. La proporción de entre 100 y 200 veces menos cantidad de residuos se mantiene favorable a la ESFV cuando se analizan las emisiones de NOx, SO producidas por una central térmica de carbón. La obtención de silicio de grado metalúrgico es requerida en grandes
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