UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI -...
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UNIVERSIDAD TCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERA ELECTROMECNICA
PROYECTO DE INVESTIGACIN
CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE OBTENCIN
DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN UN
SISTEMA PILA COMBUSTIBLE
Autores:
Chicaiza Almachi Franklin Cirilo
Jcome Corrales Alex Marcelo
Tutor:
Ing. Carlos Alfredo Espinel Cepeda
Latacunga Ecuador
2017
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ii
APROBACIN DEL TRIBUNAL DE TITULACIN
En calidad de Tribunal de Lectores, aprueban el presente informe de investigacin de
acuerdo a las disposiciones reglamentarias emitidas por la Universidad Tcnica de
Cotopaxi y por la Unidad Acadmica de Ciencias de la Ingeniera y Aplicadas; por cuanto,
los postulantes: Chicaiza Almachi Franklin Cirilo con nmero de C.I. 172173848-0 y
Jcome Corrales Alex Marcelo con nmero de C.I. 050299873-5, con el Ttulo de Proyecto
de Investigacin:
CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE OBTENCIN
DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN UN
SISTEMA PILA COMBUSTIBLE, han considerado las recomendaciones emitidas
oportunamente y rene los mritos suficientes para ser sometido al acto de Sustentacin de
Proyecto.
Por lo tanto, expuesto, se autoriza realizar los empastados correspondientes, segn la
normativa institucional.
Latacunga, 15 de febrero de 2017
Para constancia firman:
.
Ing. McS. Edwin Homero Moreano Martnez Ing. McS. Cristian Fabin Gallardo Molina
C.C. 050260750-0 C.C. 050284769-2
LECTOR 1 (Presidente) LECTOR 2
Ing. Dr. Juan Mato Tamayo
C.C. 1756944284
LECTOR 3
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iii
DECLARACIN DE AUTORA
Nosotros Chicaiza Almachi Franklin Cirilo y Jcome Corrales Alex Marcelo declaro
ser autor (a) del presente proyecto de investigacin: CONSTRUCCIN DE UN
CATALIZADOR ELECTROLTICO DE OBTENCIN DE HIDRGENO PARA
ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN UN SISTEMA PILA
COMBUSTIBLE, siendo Ing. Carlos Alfredo Espinel Cepeda director del presente
trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Tcnica de Cotopaxi y a sus representantes
legales de posibles reclamos o acciones legales.
Adems, certifico que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el
presente trabajo investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.
..
Chicaiza Almachi Franklin Cirilo Jcome Corrales Alex Marcelo
C.I 172173848-0 C.I 050299873-5
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iv
AVAL DEL TUTOR DE PROYECTO DE INVESTIGACIN
En calidad de Director del Trabajo de Investigacin sobre el ttulo:
CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE OBTENCIN
DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN UN
SISTEMA PILA COMBUSTIBLE, de Chicaiza Almachi Franklin Cirilo y Jcome
Corrales Alex Marcelo, de la carrera Ingeniera Electromecnica, considero que dicho
Informe Investigativo cumple con los requerimientos metodolgicos y aportes cientfico-
tcnicos suficientes para ser sometidos a la evaluacin del Tribunal de Validacin de
Proyecto que el Honorable Consejo Acadmico de la Unidad Acadmica de Ciencias de la
Ingeniera y Aplicadas de la Universidad Tcnica de Cotopaxi designe, para su
correspondiente estudio y calificacin.
Latacunga, 15 febrero 2017
Ing. Carlos Alfredo Espinel Cepeda
Tutor del Trabajo de Investigacin
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v
AVAL DE IMPLEMENTACIN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIN
En calidad de coordinador de la carrera de Ingeniera Electromecnica de la Universidad
Tcnica de Cotopaxi, certifico que mediante el Proyecto de Investigacin:
CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE OBTENCIN
DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN UN
SISTEMA PILA COMBUSTIBLE Los seores CHICAIZA ALMACHI FRANKLIN
CIRILO y JCOME CORRALES ALEX MARCELO realizan la entrega de un mdulo de
un generador electroltico de obtencin de hidrgeno para el laboratorio de la carrea de
Ingeniera Electromecnica de la Universidad Tcnica de Cotopaxi.
Los autorizo para que usen el presente documento para cualquier fin legal pertinente de la
Universidad.
Latacunga, 19 Enero del 2017
.
Dr. PhD. Enrique Torres Tamayo
Pasaporte N. I731909
REA DE CONVERSIN DE ENERGA
INGENIERA ELECTROMECNICA
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vi
AGRADECIMIENTO
El presente trabajo de grado primeramente lo
agradezco Dios, por bendecirme para llegar hasta
donde he llegado, porque hizo realidad este sueo
anhelado.
A la UNIVERSIDAD TCNICA DE
COTOPAXI por darme la oportunidad de estudiar
y ser un profesional.
De igual manera agradecer a mi profesor de
Investigacin y de Tesis de Grado, Ing. Carlos
Alfredo Espinel Cepeda por su visin crtica de
muchos aspectos cotidianos de la vida, por su
rectitud en su profesin como docente, por sus
consejos, que ayudaron a formarme como persona
e investigador.
Son muchas las personas que han formado parte
de mi vida a las que me encantara agradecerles
su amistad, consejos, apoyo, nimo y compaa
en los momentos ms difciles de mi vida.
Algunas estn aqu conmigo y otras en mis
recuerdos y en mi corazn, sin importar en donde
estn quiero darles las gracias por formar parte de
m, por todo lo que me han brindado y por todas
sus bendiciones. Para ellos: Muchas gracias y que
Dios los bendiga.
Franklin
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vii
DEDICATORIA
Este Proyecto Investigativo se la dedico a mi
Dios quin supo guiarme por el buen camino,
darme fuerzas para seguir adelante y no desmayar
en los problemas que se presentaban,
ensendome a encarar las adversidades sin
perder nunca la dignidad ni desfallecer en el
intento.
Para mis padres Chicaiza Moreno ngel Romn y
Mara Mercedes Almachi por su apoyo, consejos,
comprensin, amor, ayuda en los momentos
difciles, y por ayudarme con los recursos
necesarios para estudiar. Me han dado todo lo que
soy como persona, mis valores, mis principios, mi
carcter, mi empeo, mi perseverancia, mi coraje
para conseguir mis objetivos.
Franklin
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viii
AGRADECIMIENTO
Por la culminacin del presente Proyecto de
Investigacin, agradezco en primera instancia a
Dios, por darme sabidura e inteligencia para
afrontar da a da retos que se presentan y que con
su infinito amor he podido sobrellevar.
A mi querida UNIVERSIDAD TCNICA DE
COTOPAXI, por recibirme en sus aulas y
hacerme partcipe de su desarrollo, as como a
cada uno de mis docentes que supieron brindarme
sus conocimientos para mi formacin humana y
profesional. En especial a mi tutor de
Investigacin, Ing. Carlos Alfredo Espinel
Cepeda por su gua y contribucin oportuna, para
que el presente Proyecto de Investigacin se haga
realidad.
Y para finalizar tambin agradezco a los que
fueron mis compaeros de clase durante todos los
niveles de mi carrera, ya que gracias al
compaerismo, amistad y apoyo moral han
marcado mi vida con gratos momentos y aportado
en un alto porcentaje a mis ganas de seguir
adelante.
Alex
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ix
DEDICATORIA
A mi Padre celestial que en diferentes momentos
me ha levantado, sostenido con su diestra y
derramado bendiciones grandemente.
A mis padres, Carmen Amelia Corrales y Edgar
Salomn Jcome Siempre Higuita, quines han
cuidado de m desde nio y formado para afrontar
la vida con valores. Por su apoyo incondicional y
por ser las personas que me han acompaado
durante todo mi trayecto estudiantil y de vida.
Dedico tambin a mi gran amigo y hermano,
Johnny por los momentos compartidos y por ser
mi aliento para sobresalir.
Y a m bonita Estefany Snchez, ya que su afecto
y cario fueron detonantes de mi felicidad,
esfuerzo y de mis ganas de buscar lo mejor para
nuestro porvenir.
Alex
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x
NDICE
PRELIMINARES
APROBACIN DEL TRIBUNAL DE TITULACIN ..................................................... ii
DECLARACIN DE AUTORA ..................................................................................... iii
AVAL DEL TUTOR DE PROYECTO DE INVESTIGACIN ...................................... iv
NDICE DE FIGURAS ................................................................................................... xiii
NDICE DE TABLAS ..................................................................................................... xiv
RESUMEN ....................................................................................................................... xv
1. INFORMACIN GENERAL ............................................................................................ 1
Ttulo del Proyecto: ................................................................................................................ 1
Fecha de inicio ........................................................................................................................ 1
Fecha de finalizacin .............................................................................................................. 1
Lugar de ejecucin.................................................................................................................. 1
Facultad que auspicia: ............................................................................................................ 1
Facultad de Ciencias de la Ingeniera y Aplicadas ................................................................. 1
Carrera que auspicia: .............................................................................................................. 1
Ingeniera Electromecnica .................................................................................................... 1
Equipo de Trabajo .................................................................................................................. 1
2. RESUMEN DEL PROYECTO .......................................................................................... 2
3. JUSTIFICACIN DEL PROYECTO ................................................................................ 3
4. BENEFICIARIOS DEL PROYECTO ............................................................................... 4
5. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIN .......................................................................... 4
6. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 6
Objetivo general ..................................................................................................................... 6
Objetivos especficos .............................................................................................................. 6
-
xi
7. ACTIVIDADES Y SISTEMA DE TAREAS EN RELACIN A LOS OBJETIVOS
PLANTEADOS .......................................................................................................................... 7
8. FUNDAMENTACIN CIENTFICO TCNICA ............................................................. 8
Hidrgeno ............................................................................................................................... 8
Produccin de Hidrgeno ................................................................................................. 10
Las Pilas de combustible .................................................................................................. 16
Ventajas ............................................................................................................................ 19
Desventajas ....................................................................................................................... 21
Tipos ................................................................................................................................. 21
Implementacin ................................................................................................................ 24
9. HIPTESIS ...................................................................................................................... 31
10. METODOLOGAS Y DISEO EXPERIMENTAL .................................................... 32
Mtodos ................................................................................................................................ 32
Tcnicas ............................................................................................................................ 33
Instrumentos ..................................................................................................................... 33
Seleccin de los componentes del sistema ........................................................................... 33
Sistema fotovoltaico ......................................................................................................... 33
Catalizador electroltico .................................................................................................... 36
Pila de combustible ........................................................................................................... 42
Implementacin de los componentes .................................................................................... 43
11. ANLISIS Y DISCUSIN DE LOS RESULTADOS ................................................. 44
Resultados obtenidos ............................................................................................................ 44
Verificacin de la hiptesis .................................................................................................. 46
12. IMPACTOS ................................................................................................................... 47
Aspecto Tcnico ................................................................................................................... 47
Aspecto Ambiental ............................................................................................................... 47
13. PRESUPUESTO DEL PROYECTO ............................................................................. 47
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xii
14. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 48
15. BIBLIOGRAFA ........................................................................................................... 49
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xiii
NDICE DE FIGURAS
Figura N 1: Evolucin del mercado energtico 1800 - 2200 .................................................... 8
Figura N 2: Fuentes de energa primaria, conversores de energa y aplicaciones..................... 9
Figura N 3: Esquema bsico de la electrolisis ......................................................................... 12
Figura N 4: Demanda elctrica vs la temperatura de operacin.............................................. 12
Figura N 5: Celda hmeda (izquierda) y celda seca (derecha) ............................................... 13
Figura N 6: Eficiencia vs. Potencia de varias tecnologas ...................................................... 18
Figura N 7: Funcionamiento de una pila de Membrana de Intercambio Protnico ................ 19
Figura N 8: Tecnologas de las pilas de combustible y sus aplicaciones ................................ 20
Figura N 9: Elementos constitutivos de una pila tipo PEM .................................................... 22
Figura N 10: Evolucin de los costes de los paneles solares .................................................. 26
Figura N 11: Produccin de hidrgeno basada en la energa solar ......................................... 26
Figura N 12: Celda solar monocristalino vs policristalino ...................................................... 28
Figura N 13: Diferencias entre los paneles segn la tecnologa de fabricacin ...................... 28
Figura N 14: Metodologa de diseo ....................................................................................... 32
Figura N 15: Diferencia de tensin entre las celdas ................................................................ 37
Figura N 16: Placas de acero inoxidable ................................................................................. 38
Figura N 17: Plancha de revestimiento de acrlico ................................................................. 38
Figura N 18: Sujecin de placas pernos y tuercas de acero .................................................... 39
Figura N 19: Recubrimiento con resina acrlica ...................................................................... 39
Figura N 20: Algoritmo para el clculo de la produccin de gas ............................................ 40
Figura N 21: La relacin de hidrgeno y potencia .................................................................. 42
Figura N 22: Litros de H2 vs. Temperatura por cada placa ..................................................... 44
Figura N 23: Mililitros vs. Celsius por la totalidad del catalizador ........................................ 44
Figura N 24: Resultados obtenidos sobre Voltaje e Intensidad .............................................. 45
Figura N 25: Resultados obtenidos sobre la Potencia y Caudal .............................................. 46
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xiv
NDICE DE TABLAS
Tabla N 1: Beneficiarios del proyecto ....................................................................................... 4
Tabla N 2: Actividades, resultados y medios de verificacin ................................................... 7
Tabla N 3: Densidad energtica de varios combustibles ......................................................... 10
Tabla N 4: Electrolitos ms usados en la electrolisis .............................................................. 14
Tabla N 5: Tipos de pilas de combustible y sus caractersticas principales. ........................... 20
Tabla N 6: Proyeccin de costes de produccin de hidrgeno ............................................... 24
Tabla N 7: Precios preferentes establecidos por el CONELEC .............................................. 25
Tabla N 8: Tipos de bateras con sus respectivas caractersticas ............................................ 30
Tabla N 9: Operacionalizacin de las variables ...................................................................... 31
Tabla N 10: Resultados de la produccin de gas .................................................................... 41
Tabla N 11: Resultados obtenidos de la configuracin en serie ............................................. 41
Tabla N 12: Volumen de gas generado en un segundo ........................................................... 41
Tabla N 13: Caractersticas del sistema fotovoltaico .............................................................. 34
Tabla N 14: Caractersticas del Panel solara Enercity 50C ..................................................... 35
Tabla N 15: Caractersticas requeridas de la batera ............................................................... 35
Tabla N 16: Caractersticas de la Pila tipo PEM Horizon Cell H-12 ...................................... 42
Tabla N 17: Presupuesto del proyecto ..................................................................................... 48
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xv
UNIVERSIDAD TCNICA DE COTOPAXI
UNIDAD ACADMICA DE CIENCIAS DE LA INGENIERA Y APLICADAS
TITULO: CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE
OBTENCIN DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN
UN SISTEMA PILA COMBUSTIBLE
Autores: Chicaiza Almachi Franklin Cirilo y
Jcome Corrales Alex Marcelo
RESUMEN
La investigacin se desarrolla con el fin de construir un catalizador electroltico de obtencin
de hidrgeno para almacenar energa elctrica en un sistema de pila combustible para el
Laboratorio de Energas Renovables de la Universidad Tcnica de Cotopaxi. El documento
recopila informacin, selecciona componentes e implementa los aparatos necesarios para
generacin de energa elctrica, a travs de la conversin de la produccin de hidrgeno, en
base a una fuente de energa primaria como la solar. As el resultado obtenido se concluye
con la construccin de un catalizador electroltico que consiste en 7 placas de acero
inoxidable de 120 * 120mm y 3mm de espesor, conectado en una configuracin en serie.
Cuyas caractersticas elctricas de operacin son 12Vcd y 1.16A. Mediante el mtodo
cientfico se determin una produccin de hidrgeno terico de 11.9 ml/s. Despus de un
posterior anlisis y medicin de resultados en la prctica se obtuvo un caudal de gas de 8.78
ml/s. Alrededor del dispositivo se implement un sistema fotovoltaico de 50Wp (vatios pico)
con una capacidad de reserva de 6 das y una pila combustible tipo PEM (Membrana
Intercambiadora de Protones) de 12W. El aporte tcnico de la investigacin es la conversin
de la energa solar en un vector energtico, hidrgeno, y su posterior transformacin en
electricidad con la pila de combustible tipo PEM.
Palabras clave: Catalizador electroltico, Pila de combustible, energa solar, hidrgeno,
paneles solares.
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xvi
THEME:
"CONSTRUCTION OF AN ELECTROLYTIC CATALYST FOR OBTAINING
HYDROGEN TO STORE ELECTRICAL ENERGY IN A COMBUSTIBLE PILE
SYSTEM"
AUTHORS:
Chicaiza Almachi Franklin Cirilo
Jcome Corrales Alex Marcelo
ABSTRACT
The research was developed with the aim of building a catalyst electrolytic capacitor for
obtaining hydrogen to store electrical energy in a fuel cell system for the Renewable Energy
Laboratory of the Technical University of Cotopaxi. The document gathers information, select
components and implements the necessary equipment for power generation, through the
conversion of hydrogen production, on the basis of a primary energy source such as solar. So
the result is concluded with the construction of a catalyst electrolyte which consists of 7 plates
of stainless steel 120 * 120mm and 3mm thick, connected in a series configuration. Whose
electrical characteristics of operation are 12Vdc and 1.16A. through the scientific method was
determined a theoretical hydrogen production of 11.9 ml/s. After further analysis and
measurement of results obtained in practice a gas flow rate of 8.78ml/s. Around the device
was implemented a photovoltaic system of 50Wp (Watt peak) with a reserve capacity of 6
days and a PEM fuel cell stack anion exchange membrane (protons) of 12W. The technical
contribution of the research is the conversion of solar energy in an energy carrier, hydrogen,
and its subsequent transformation into electricity with the PEM fuel cell.
Keywords: Electrolytic catalyst, Fuel cell, solar energy, hydrogen, solar panels.
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xvii
CENTRO CULTURAL DE IDIOMAS
AVAL DE TRADUCCIN
En calidad de Docente del Idioma Ingls del Centro Cultural de Idiomas de la Universidad
Tcnica de Cotopaxi; en forma legal CERTIFICO que: La traduccin del resumen del
proyecto de investigacin al Idioma Ingls presentado por el seor Chicaiza Almachi Franklin
Cirilo y Jcome Corrales Alex Marcelo Egresados de la Carrera de Ingeniera en
Electromecnica de la Unidad Acadmica de Ciencias de la Ingeniera y Aplicadas, cuyo
ttulo versa CONSTRUCCIN DE UN CATALIZADOR ELECTROLTICO DE
OBTENCIN DE HIDRGENO PARA ALMACENAR ENERGA ELCTRICA EN
UN SISTEMA PILA COMBUSTIBLE, lo realiz bajo mi supervisin y cumple con una
correcta estructura gramatical del Idioma.
Es todo cuanto puedo certificar en honor a la verdad y autorizo al peticionario hacer uso del
presente certificado de la manera tica que estimaren conveniente.
Latacunga, 3 de febrero del 2017
Atentamente,
Lic. Edison Marcelo Pacheco Pruna.
C.C. 050261735-0
DOCENTE CENTRO CULTURAL DE IDIOMAS
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1
1. INFORMACIN GENERAL
Ttulo del Proyecto:
Construccin de un catalizador electroltico de obtencin de hidrgeno para almacenar
energa elctrica en un sistema pila combustible.
Fecha de inicio: abril, 2016
Fecha de finalizacin: agosto, 2016
Lugar de ejecucin: Barrio San Felipe Eloy Alfaro Latacunga Cotopaxi - Zona 3 -
Universidad Tcnica de Cotopaxi.
Facultad que auspicia:
Facultad de Ciencias de la Ingeniera y Aplicadas
Carrera que auspicia:
Ingeniera Electromecnica
Equipo de Trabajo
Tutor del Proyecto Investigacin:
Nombre: Ing. Carlos Alfredo Espinel Cepeda.
Celular: 0984744165
Correo electrnico: [email protected]
Direccin: Urbanizacin Mio Molina, Latacunga
Coordinador de proyecto:
Nombre: Chicaiza Almachi Franklin Cirilo
Celular: 0939950032
Correo electrnico: [email protected]
Direccin: Av. Jos Ignacio Albuja, Aloasi
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2
Coordinador de proyecto:
Nombre: Alex Marcelo Jcome Corrales
Celular: 0992975407
Correo electrnico: [email protected]
Direccin: Barrio La Calera
rea de Conocimiento:
Energas Alternativas
Lnea de investigacin:
Energas alternativas y renovables, eficiencia energtica y proteccin ambiental
2. RESUMEN DEL PROYECTO
El presente proyecto es de suma importancia para la Universidad Tcnica de Cotopaxi, puesto
que se pretende construir un catalizador de hidrgeno para generar energa elctrica, la
misma que ser almacenada en una pila de combustible, lo que dar lugar a una fuente de
energa sustentable, renovable y sin contaminacin para el medio ambiente, de tal manera que
se preserve nuestro entorno, adems de ser una directriz para prximos proyectos orientados a
este campo, en el mbito educativo y tecnolgico.
El objetivo de este proyecto es construir un generador de hidrgeno de pequeas dimensiones
y produccin de hidrgeno reducida. Existen diferentes mtodos de obtencin de hidrgeno.
En este caso, se utilizar el diseo de un generador de hidrgeno por electrlisis el agua.
La electrlisis no es el mtodo ms rentable de obtener hidrgeno, pero en el presente es la
forma ms factible y efectiva, puesto que el generador tiene que ser de dimensiones reducidas.
La electrlisis del agua es la descomposicin de agua (H2O) en gas de oxgeno (O2) e
hidrgeno (H2) por medio de una corriente elctrica a travs del agua.
Una fuente de poder elctrica es conectada a dos electrodos hechos de un metal inerte como el
platino o acero inoxidable, los cuales son puestos en el agua. En una celda propiamente
diseada, el hidrgeno aparecer en el ctodo (el electrodo negativamente cargado, donde los
-
3
electrones son bombeados al agua), y el oxgeno aparecer en el nodo (el electrodo
positivamente cargado). La cantidad de hidrgeno generado es el doble que la de oxgeno, y
ambas son proporcionales al total de carga que fue enviada por el agua.
En la actualidad una de las soluciones ecolgicas ms viables para la generacin de energa,
son los catalizadores electrolticos de hidrgeno, los mismos que acoplados a una pila
combustible de almacenamiento, permiten almacenar energa renovable.
Por ltimo, el desarrollo de esta investigacin beneficiar directamente a la Universidad
Tcnica de Cotopaxi, estudiantes y carreras afines, puesto que se convertir en un precedente
valioso para el enfoque e investigacin en los estudiantes, adems de permitir la aplicacin de
la prctica en los mismos, llevando los conocimientos tericos al campo de la
experimentacin a travs del laboratorio de Ingeniera Electromecnica de la Institucin.
Palabras clave: Catalizador electroltico, pila combustible, hidrgeno, energa solar, paneles
solares.
3. JUSTIFICACIN DEL PROYECTO
La investigacin se desarroll, con el fin de construir un catalizador de hidrgeno que genere
energa elctrica, almacenada en una pila de combustible; radicando su importancia en que
dar lugar a una fuente de energa sustentable, renovable y sin contaminacin para el medio
ambiente, adems de ser una directriz para proyectos orientados a este campo, en el mbito
educativo y tecnolgico.
La produccin de hidrgeno viene dictada por la economa del proceso, las necesidades del
mercado y tambin por las regulaciones ambientales. El hidrgeno permite el acceso a un
amplio grupo de precursores primarios tales como combustibles fsiles, energa nuclear y con
una incursin cada vez mayor, las energas renovables (elica, solar, biomasa).
Este elemento es un excelente vector energtico, que ofrece eficiencia mediante el sistema
pila de combustible que hoy en da es una realidad en pases desarrollados; pudiendo ser la
solucin al paradigma energtico, pues permitir reducir las importaciones de combustibles
fsiles y las emisiones de gases contaminantes. Su nico subproducto al convertirse en
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4
energa es vapor de agua. Por lo tanto, el uso de hidrgeno representara un avance respecto
del problema de contaminacin en el futuro.
El marco legal que sustenta el proyecto es el objetivo 11 del Plan Nacional del Buen Vivir:
Asegurar la soberana y eficiencia de los sectores estratgicos para la transformacin
industrial y tecnolgica. Las polticas actuales benefician el cambio de la matriz energtica,
priorizando inversiones pblicas y privadas en la generacin de electricidad con energas
renovables.
Por ltimo, el desarrollo de la investigacin beneficiar directamente a los estudiantes y
docentes de la carrera de ingeniera electromecnica, contribuyendo al rendimiento energtico
y la aplicacin de la praxis; llevando los conocimientos tericos al campo de la
experimentacin a travs del laboratorio de Energas de la Universidad Tcnica de Cotopaxi.
4. BENEFICIARIOS DEL PROYECTO
Los beneficiarios del proyecto es la Universidad Tcnica de Cotopaxi, especficamente al
Laboratorio de Energas y a los estudiantes de la Carrera de Ingeniera Electromecnica y
Elctrica.
Tabla N 1: Beneficiarios del proyecto
Beneficiarios Descripcin
Docentes de la ctedra de Energas Renovables Ing. Ms.C.
Estudiantes de la Carrera de Ingeniera en Electromecnica 536 estudiantes
Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A.
5. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIN
La problemtica actual del uso de energas no renovables, hacen que tengan un alto costo y
que de ella dependa todo proceso industrial lo hace que se generen ms gases de efecto
invernadero. El uso intensivo de combustibles fsiles, asociado a condiciones ambientales
desfavorables, propician los eventos de polucin que hoy afectan a las distintas ciudades del
pas, en donde cada episodio crtico de contaminacin trae asociados problemas socio
ambientales que parecen sin solucin, al igual que muchos pases debemos cambiar el modelo
-
5
energtico futuro, suministrando una energa eficiente inofensiva para el ambiente, no
agotable y suficientemente competitiva respecto al costo actual de las tecnologas
convencionales.
La generacin de electricidad, en trminos generales, consiste en transformar una energa que
puede ser de tipo qumica, trmica, mecnica, hidrulica, solar y elica, entre otras en energa
elctrica. Este fenmeno ha permitido el avance cientfico y tecnolgico de la sociedad.
Apareciendo la tecnologa de las energas verdes (elico, hidrulica y solar) como una
alternativa a las dems fuentes productoras de contaminacin (petrleo y carbn). Pero esta
produccin energtica alternativa en su mayora tiene grandes desventajas. Por la propia
naturaleza de la generacin de electricidad; no puede ser almacenada, debe consumirse.
La energa elica solo genera cuando existe viento, la solar solo cuando hay radiacin solar y
la hidrulica cuando exista suficiente agua. La intermitencia de estos sistemas obliga la
bsqueda de sistemas de acumulacin elctrica. Una de estas soluciones es el hidrgeno que a
largo plazo puede llegar a ser el combustible ms conveniente ya que tiene la ventaja de que
su combustin es limpia sus nicos productos son calor y agua. Cuando se utiliza como
combustible en pilas de combustibles permiten transformar la energa de una reaccin
qumica en energa elctrica de forma eficiente y limpia. El hidrogeno y las pilas de
combustible tienen la posibilidad de revolucionar el modo en el que producimos y usamos la
energa. Es por ello que se requiere comprender por completo todas las ventajas y desventajas
del uso de esta energa para fomentar la investigacin para que lleve la solucin de los
problemas que en estos tiempos presenta, como es el caso de su obtencin y almacenaje de
forma eficiente.
La Constitucin Ecuatoriana impulsa la produccin de energa renovable no convencional,
estableciendo en su Art. 413: El Estado promover la eficiencia energtica, el desarrollo y
uso de prcticas y tecnologas ambientalmente limpias y sanas, as como de energas
renovables, diversificadas, de bajo impacto y que no pongan en riesgo la soberana
alimentaria, el equilibrio ecolgico de los ecosistemas ni el derecho al agua.
En la prctica el Reglamento General de la Ley de Rgimen del Sector Elctrico en su Art.63
fomenta el uso de desarrollos energticos renovables a travs de los organismos pblicos, la
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6
banca, universidades e instituciones privadas. El CONELEC colocara fondos pblicos en
proyectos de electrificacin rural a base energas alternativas y renovables.
As la regulacin 004/11 establece precios preferenciales de la energa producida con recursos
energticos renovables no convencionales (Tabla N 7). Todas estas polticas fomentan las
inversiones pblicas, privadas y mixtas beneficiando el desarrollo, implementacin e
investigacin de nuevas tecnologas para producir, almacenar y utilizar hidrgeno a partir de
energas renovables.
Con la construccin de un catalizador electroltico para la obtencin de hidrgeno para la
generacin de energa elctrica en un sistema pila combustible permitir ser un punto de
partida para demostrar las bondades que presenta la utilizacin de energas alternativas,
especficamente el hidrgeno, como una opcin adicional en el mercado energtico.
6. OBJETIVOS
Objetivo general
Construir un catalizador electroltico para la obtencin de hidrgeno mediante el proceso de
electrolisis para la generacin de energa elctrica en un sistema pila combustible
Objetivos especficos
Recopilar informacin argumentativa que respalde la construccin y funcionamiento
de un catalizador de hidrgeno para su aplicacin.
Dimensionar los componentes necesarios para generar energa primaria a partir de
paneles fotovoltaicos.
Seleccionar y construir un catalizador electroltico para generar hidrgeno.
Seleccionar e implementar una pila combustible que genere electricidad a partir de la
produccin de hidrgeno.
Implementar el conjunto hbrido solar-hidrgeno para verificar los parmetros
elctricos del mdulo.
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7
7. ACTIVIDADES Y SISTEMA DE TAREAS EN RELACIN A LOS OBJETIVOS
PLANTEADOS
Con el fin de cumplir con los objetivos planteados, se elabor la Tabla N 2.
Tabla N 2: Actividades, resultados y medios de verificacin
Objetivo Actividad Resultado de la
actividad
Medios de
verificacin
Recopilar toda la
informacin argumentativa
que respalde la
construccin y
funcionamiento.
Realizar una
investigacin
bibliogrfica
Determinacin de los
lineamientos iniciales
de diseo
Procesos de
produccin de
hidrgeno,
implementacin de la
tecnologa y tipos de
pilas de combustible
Dimensionar los
componentes necesarios
para generar energa
primaria a partir de paneles
fotovoltaicos
Clculo de la
capacidad necesaria
de los componentes
del sistema
Adecuado
dimensionamiento y
obtencin de la
energa solar
suficiente
Confirmacin de la
estabilidad de los
parmetros elctricos
y la potencia
necesaria para el
conjunto de equipos
Seleccionar y construir un
catalizador electroltico
para generar hidrgeno
Calculo y
dimensionamiento de
los componentes del
catalizador
Construccin y
ensamblaje de los
componentes del
catalizador
Comprobacin de los
parmetros tericos
de produccin de
hidrgeno
Seleccionar e implementar
una pila combustible que
genere electricidad a partir
de la produccin de
hidrgeno
Seleccin tcnica del
equipo en funcin de
la investigacin
bibliogrfica
Tipo de pila de
combustible y
potencia de
generacin
Revisin de los
parmetros elctricos
en base a la
produccin de
hidrgeno
Implementar el conjunto
hibrido solar-hidrgeno
para verificar los
parmetros elctricos del
modulo
Implementacin de
todos los equipos en
un mdulo didctico
Modulo didctico
Gua de prcticas para
el laboratorio
Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A.
-
8
8. FUNDAMENTACIN CIENTFICO TCNICA
Hidrgeno
El hidrgeno es un elemento qumico ms simple del Universo. Aunque es un recurso
abundante en la naturaleza, formando parte de las tres cuartas partes del universo, no se halla
aislado. Forma compuestos como los hidrocarburos o el agua.
Figura N 1: Evolucin del mercado energtico 1800 - 2200
Fuente: (Dixon, 2006)
El hidrgeno forma parte de las economas energticas del futuro (Linares y Moratilla,
2001, pg. 10). La motivacin de esta afirmacin son las caractersticas que, brinda este
elemento, y los pronsticos como la principal fuente de energa para el ao 2150. En la Figura
N 1 describe la evolucin de las fuentes de energa y la estimacin de las mismas en el
futuro. Se puede observar, de izquierda a derecha, como disminuye la sustentabilidad
econmica de las energas llamadas contaminantes versus las energas limpias. Esto se debe a
tres factores: descentralizacin, reduccin del capital de inversin y avance de la tecnologa.
Ests caractersticas son demandadas a medida que avanza la industrializacin y aumenta los
estndares de vida.
Las principales ventajas del hidrgeno son:
-
9
Eficiencia energtica. - la conversin de energa es directa, sin la necesidad de algn
intermediario como las mquinas trmicas. Superando las limitaciones del ciclo de
Carnot. Puede ser utilizado de forma estacionaria, transporte y porttil.
Dependencia energtica. - la ltima dcada se busca alternativas ante combustibles no
renovables como los fsiles. Y la disminucin de las reservas mundiales de petrleo y
carbn. Esta fuente energtica puede ser transportada y producida mediante cualquier
forma de explotacin energtica renovable o no. Facilitando la explotacin de energa
en sitio. En la Figura N2 ejemplifica este motivo. El hidrgeno como vector
energtico es un facilitador en la conversin de las energas primarias y su uso en
diferentes aplicaciones.
Medioambiente. - su conversin solo libera un producto: agua. A diferencia de los
dems combustibles no renovables no desprende CO2. Si la energa primaria utilizada
en la produccin de hidrgeno es renovable existe en el sistema cero emisiones.
Adems, el mercado de hidrgeno impulsar nuevas tecnologas, especialmente, las
relacionadas con la ciencia de los materiales, promover el crecimiento econmico y
la descentralizacin de la generacin elctrica.
Figura N 2: Fuentes de energa primaria, conversores de energa y aplicaciones
Fuente: (Comisin Europea, 2003)
-
10
Tabla N 3: Densidad energtica de varios combustibles
Densidad
(kg/m3)
ENERGA ALMACENADA
Volumen
(kWh/m3) Volumen
(kWh/Nm3)
Masa
(kWh/kg)
H2 lquido (1 bar; -252,8 C) 70,71 2375
3
33,59 H2 gas (300 bar; 25 C) 20,55 690
H2 gas (700 bar; 25 C) 47,96 1611
Gas natural (1 bar; 25 C) 0,65 9,1 10 13,93
Butano lquido (25 C) 550 7000 33 12,73
Gasolina 750 9270 - 12,63 Fuente: (Linares & Moratilla, 2001)
En la Tabla N 3 se detallan las densidades energticas de diversos combustibles. Se
considera al hidrgeno como un vector energtico - portador de energa - supone que se
produce a partir de otras fuentes de energa (solar, elica, nuclear, metano). Almacenando una
cierta cantidad de energa.
Adems, la Tabla N 3 manifiesta la capacidad del hidrgeno de acumular 3 veces ms
energa por unidad de masa que cualquier otro combustible. Sin embargo, el hidrgeno, por
ser ms ligero; es la menor capacidad posee de almacenar energa por unidad de volumen.
Dificultado su distribucin y almacenamiento. Esta dificultad puede ser solventada al acoplar
un sistema de conversin directo o indirecto pila de combustible.
Produccin de Hidrgeno
El hidrgeno es un componente muy importante para la industria qumica, petroqumica y
adems es un portador de energa muy valorado para su aplicacin en las pilas de
combustible, representando esta ltima aplicacin un mercado emergente que resulta en un
aumento creciente de la demanda de hidrgeno. (Barreras y Lozano, 2012, p.22)
La produccin de hidrgeno ha sido un asunto de gran importancia durante la era industrial.
Pero esta aumentado con la llegada de la tecnologa de las pilas de combustible que permiten
la conversin energtica del hidrgeno. El avance en el campo de los materiales y el aumento
de la demanda energtica impulsa el inters en este vector energtico en la actualidad.
La obtencin del hidrgeno depende de la energa utilizada en el proceso: Trmico, elctrico,
fotnico.
-
11
Procesos Trmicos
Algunos procesos trmicos utilizan la energa de diferentes recursos, tales como gas natural,
carbn, o biomasa, para obtener hidrgeno, que es parte de su estructura molecular. En otros
procesos, el calor, conjuntamente con ciclos qumicos cerrados, produce el hidrgeno a partir
de materias de partida tales como el agua, stos se conocen como procesos "termoqumicos".
Procesos Fotnicos
Los procesos fotolticos utilizan energa de baja intensidad para romper la molcula de agua
en hidrgeno y oxgeno. Actualmente estn en las primeras etapas de investigacin, pero estos
procesos ofrecen ventajas a largo plazo para la produccin sostenible de hidrgeno con bajo
impacto sobre el medio ambiente.
Procesos Elctricos
Los procesos electrolticos utilizan electricidad para romper la molcula de agua en hidrgeno
y oxgeno, un proceso que ocurre en un electrolizador. El hidrgeno producido va electrlisis
puede dar lugar a emisiones de gases responsables del efecto invernadero cercanas a cero,
dependiendo de la fuente de electricidad usada. Para evaluar las ventajas de la produccin de
hidrgeno va electrlisis se debe considerar la fuente de electricidad requerida, incluyendo su
coste y eficacia, as como las emisiones que resultan de la generacin de esa electricidad. Los
dos procesos de electrlisis de mayor inters para la produccin a gran escala de hidrgeno,
que dan lugar a emisiones de gases responsables del efecto invernadero cercanas a cero, son
electrlisis usando fuentes renovables de electricidad y electrlisis de alta temperatura.
En la Figura N 3 se muestra la electrlisis del agua el cual consiste en la descomposicin de
agua (H2O) en los gases oxgeno (O2) e hidrgeno (H2) por medio de una corriente elctrica a
travs del agua acidulada.
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12
Figura N 3: Esquema bsico de la electrolisis
Fuente: (Aguirre, 2009)
2 2 +12 2
La energa necesaria para disociar 1 mol de agua a 25C es 237.75 J, produciendo 1 mol del
H2. La capacidad calorfica mnima del hidrgeno es 241.82 kJ/mol necesitan de 237.72 kJ.
Esto significa que la ganancia neta de energa es 1.02 kJ de hidrgeno por cada kJ elctrico.
Esto puede aumentar si se produce en condiciones de alta temperatura con vapor de agua a
1000 C se generan 1.36 kJ de energa neta.
Esto evidencia que la demanda elctrica necesaria en la produccin de la electrlisis se reduce
a medida que la temperatura aumenta. Por lo que en la industria es ms rentable la electrolisis
a altas temperaturas.
Figura N 4: Demanda elctrica vs la temperatura de operacin
Fuente: (Bermudez, 2007)
-
13
Si se considera un proceso de electrolisis a baja temperatura. La demanda de electricidad es
elevada. Iguala a la ganancia calorfica de cada mol de hidrgeno producido (Linares y
Moratilla 2001, p.46). Esto se manifiesta, grficamente, en la Figura N4.
Si se utiliza una pila combustible con un rendimiento del 60% la ganancia neta de energa es
negativa. Este sistema solo es justificable para aplicaciones aisladas donde no existan otros
suministros. Una solucin para este tipo de produccin es el acoplamiento de las energas
renovables como el elico o solar. Se puede utilizar el potencial elctrico excedente para la
produccin de hidrgeno y un posterior consumo del mismo cuando la demanda lo requiera.
Tipos de celdas
Existen bsicamente dos tipos de celtas: hmeda y seca. Los electrodos en ambos tipos
pueden ser espirales, placas o tubos.
Las celdas hmedas se encuentran sumergidas en una cuba lleno del electrolito. Los
electrodos estn parcial o totalmente sumergidos. Son de fcil construccin y poseen menos
componentes.
Figura N 5: Celda hmeda (izquierda) y celda seca (derecha)
Fuente: (Holgado, 2012)
La celda seca no contiene un recipiente para sumergir las celdas, la celda en si es el
contenedor. La configuracin de las placas vara en cada funcin:
+ N N N N N N + N N N
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La adicin de una placa neutra permite un mejor rendimiento de la calda evitando un excesivo
consumo de corriente y permiten la disipacin del calor producto de la reaccin qumica.
Electrolito
En si el agua pura no es un conductor de la electricidad. No existen suficientes iones disueltos
para permitir la circulacin de electrones en la solucin. Para ello se recurre a compuestos que
introducen iones en la solucin. La adicin de este qumico y la aplicacin de la corriente
elctrica permiten las reacciones qumicas.
La eleccin del electrolito adecuado este definido por los subproductos de la reaccin
qumica. Por ejemplo, la sal (NaCl) despus de la electrolisis produce hipoclorito de sodio
(NaOCl) y gases de cloro que se emiten con el hidrgeno. Subproductos dainos. Tambin se
considera la reaccin del electrolito con los nodos y ctodos. Si el electrolito se reduce en el
ctodo u oxidado en el nodo. Reduce la accin de los electrodos en el proceso de electrolisis.
En la Tabla N 4 se detallan algunos electrolitos utilizados en la produccin de hidrgeno en
el proceso de electrolisis y sus caractersticas de operacin.
Tabla N 4: Electrolitos ms usados en la electrlisis
Electrolito
Composicin
Aplicacin
Sulfato de magnesio MgSO4 Alto/bajo voltaje, bajo amperaje, temperatura alta
Hidrxido de potasio KOH Alto/bajo voltaje, bajo amperaje, temperatura baja
Hidrxido de sodio NaOH Alto/bajo voltaje, alto amperaje, temperatura media
Sulfato de sodio Na2SO4 Bajo voltaje, bajo amperaje, temperatura media
cido sulfrico
diluido
H2SO4 Bajo voltaje, medio amperaje, temperatura media
Fuente: (Holgado, 2012)
Electrodos
Las caractersticas de los electrodos es la buena conductividad elctrica e inerte a la solucin
ya el proceso de electrolisis, se recomienda el niquel como el mejor material para el proceso
(Holgado, 2012, p. 112). Sin embargo, el costo limita su acceso. El acero niquelado es
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tambien una alternativa. En la industria se utiliza el acero inoxidable 316-L. La superficie del
electro debe reducir al minimo el voltaje.
Consideraciones de diseo
1) En la ley de Faraday la cual dice: La masa de la sustancia producida en un electron
mediante electrolisis es directamente proporcional a la electricidad que pasa a traves
de la solucin (Cengel y Boles, 2002, p. 322). Es decir, La generacin de hidrgeno
es proporcional a la corriente. Con una temperatura de 0C y 1 atm se necesita 1.594
Amperios por cada litro por hora y por celda.
2) Se recomienda una diferencia de voltaje entre las celdas de 1.48 V, ms alla de este
valor la eficiencia se reduce. (Linares y Moratilla, 2001). Como se menciono en el
parrafo anterior la tensin solo es necesaria para la circulacion de la corriente, el
voltaje no repercute en el gas producido.
3) Tambin menciona la eficiencia. Esta se mide entre la relacin de vatios necesarios
para la produccin por cada litro por hora de hidrgeno. Los diseos mas eficientes
son de la configuracion en serie, con un espacio de 3 mm y un amperaje por de bajo de
10. (Linares y Moratilla, 2001)
4) El voltaje de cada celda depende de la densidad de corriente. Las celdas con un rea
pequea son menos eficientes. Su reducido tamao requiere de ms voltaje para
permitir la circulacin de ms amperios. Se recomienda 0.01 A/cm2. Es decir, un
rea recomendada de al menos 170 cm2 para 20 A (amperios). (Linares y Moratilla,
2001, p. 56).
5) El mejor material para la contruccin de los electrodos es el nquel, pero su limitante
es el costo. Otro excelente material es el acero inoxidable 316-L. (Holgado, 2012, p.
111).
Dentro de la definicin de la cantidad de gas (hidrgeno y oxgeno) que un electrolizador
puede generar se recurre a calcular la cantidad de culombios en un determinado tiempo lo que
nos genera la carga elctrica necesaria para la reaccin:
=
Donde Q es la carga elctrica, I la corriente y t una diferencia de tiempo.
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Con la determinacin de la carga elctrica se define cuantos moles de hidrgeno se pueden
desprender de la reaccin con aquella intensidad elctrica.
2 = (
2) 0,05
Donde F es la constante de Faraday, en Garcia (2013) utiliza un valor de 96485 C/mol para
esta constante.
La produccin de gases depende en gran medida de la presin y temperatura ambiente. Ya
que est condiciona el volumen de los gases y no su poder calorfico. Se recurre a la ecuacin
de los gases ideales junto con los datos de operacin del electrolizador (presin y
temperatura). En Cengel y Boles (20002, p. 139) cita esta ecuacin como:
2 = (
)
Donde R es la constante de los gases (96485 C/mol), T temperatura en kelvin y P la presin
absoluta en atmsferas.
Si se considera que en la reaccin se produce dos tomos de hidrgeno por cada uno de
oxgeno. Entonces del volumen de hidrgeno dividido para dos tendremos el oxgeno
generado.
2 =22
Las Pilas de combustible
Tambin llamada celda o stack, por su capacidad de conexin en serie o paralelo, es un
dispositivo electroqumico convertidor de energa. Est diseada para permitir el
abastecimiento continuo de reactivos consumidos: hidrgeno y oxgeno. A diferencia de las
bateras cuyos reactivos se agotan o degradan con la descarga de la misma. Las emisiones de
estos dispositivos son agua y calor.
-
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El trmino pila no tiene relacin con las bateras y pilas electroqumicas. Se asocia con el
trmino Fuel Cell Stack (Apilamiento de Celdas de Combustibles). Es decir, se hace
referencia a la celda elemental o conjunto de celdas.
El principio fsico sobre el cual se basan se descubri en 1839, Sir William Grove demostr
que se puede generar electricidad a partir de una reaccin electroqumica entre el oxgeno e
hidrgeno. Esta nueva tecnologa se olvid en pro de las nuevas mquinas de vapor y motores
de combustin interna, los cuales presentaban caractersticas para la poca ms estables.
Aunque con un menor rendimiento, la tecnologa del motor ya se encontraba desarrollada y la
de las pilas de combustible aun en sus comienzos e inestables por las caractersticas primitivas
de los electrodos utilizados.
En 1969 los programas espaciales de los EEUU: Geminis y Apollo. Desarrollaron las
primeras pilas de combustible alcalinas para energizar la electrnica de las naves y proveer
agua a la tripulacin.
Posteriormente, la crisis de combustibles en los aos 70 y la guerra del Golfo. Despert, en la
industria, el inters en nuevas tecnologas que generen alternativas energticas a los
combustibles fsiles. Se impuls la investigacin en energa solar, elica, geotrmica y
biomasa.
Actualmente, se desarrolla tecnologa basada en hidrgeno, especialmente en funciones
estacionarias de pequea potencia. Sin embargo, el rendimiento de las pilas de combustible,
en comparacin a otras tecnologas. Motiva a la industria el desarrollo de pilas de combustible
para la generacin de alta potencia.
En la Figura N 6 se desarrolla un esquema donde se define la capacidad y aplicaciones de las
pilas de combustible versus otras tecnologas. Donde se interpreta la capacidad de esta
tecnologa de trabajar con potencia de mili vatios (calculadoras, relojes) a millones de vatios
para la electrificacin de ciudades. Siempre con un rendimiento mnimo del 32 % y mximo
de 62%, su lmite terico.
-
18
Funcionamiento
Consiste en una celda electroqumica compuesta por dos electrodos: nodo y ctodo. Y un
electrolito.
El nodo genera una reaccin de oxidacin, donde se liberan electrones incapaces de atravesar
el electrolito, estos atraviesan un circuito cerrado donde se encuentra la carga que se
electrificara. Los iones restantes atraviesan el electrolito hasta el ctodo, donde se genera la
reduccin. Ganando electrones obtenidos del nodo se recombinan con los cationes
correspondientes. Un compuesto neutro. La naturaleza de este compuesto depende del tipo de
pila combustible utilizado.
Figura N 6: Eficiencia vs. Potencia de varias tecnologas
Fuente: (Bermudez, 2007)
En la Figura N 7 se describe el funcionamiento de una pila de combustible tipo PEM
(Membrana de Intercambio Protnico). Su manera de trabajo es esencialmente lo descrito en
los prrafos anteriores:
Efi
cie
ncia
(%
)
Potencia producida (kW)
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1) Se provee de hidrgeno al nodo y oxgeno al ctodo.
2) Los iones de hidrgeno (H+) fluyen hacia el ctodo a travs de la membrana
electroltica, donde reacciona con el comburente (oxidante) produciendo agua.
3) La reaccin andica produce electrones que no logran atravesar la membrana y en
lugar de ello circulan un circuito eterno hacia el ctodo donde dan paso a la reaccin
catdica.
Ventajas
Su conversin no genera contaminacin
Elevada eficiencia termodinmica, debido a que no cumplen el ciclo de Carnot
La eficiencia no depende de la temperatura
Se caracterizan por una alta eficiencia a cargas parciales
Son dispositivos de estado slido y su capacidad de reaccin es instantneo a los
cambios de la carga
Requieren menos transformaciones para generar electricidad que las dems
tecnologas (Maquinas trmicas)
No requiere recarga. Solo necesita un suministro continuo de reactivos
Figura N 7: Funcionamiento de una pila de Membrana de Intercambio Protnico
Fuente: (Aguirre, 2009)
-
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Tabla N 5: Tipos de pilas de combustible y sus caractersticas principales.
PEM / DMFC AFC PAFC MCFC SOFC ZAFC
Pilas de
Intercambio
Protnico y
pilas de
metanol
Pilas
Alcalinas
Pilas de
cido
fosfrico
Pilas de
carbono
fundido
Pilas de
xido
solido
Pilas de
Zinc-aire
Electrolito
Polmero
solido
perflusulfonado
KOH
H2PO4
Li2CO/K2CO2,
Na2CO3
ZrO2/Y2O3
KOH2,
LiOH2,
NaOH
Electrodos
PVC
Ni, Ag,
MeO,
Asbesto
PVC, SIC
Ni poroso, NiO
poroso, LiAIO2
Co-
ZrO2/Ni-
ZrO2
ZN, MnO2
T(C) 0-80 65-220 200 650 600-1000 60
Potencia
0-250 kW
10,100 kW
50 kW -
1MW
1 MW
3 MW
90 W/Kg
Eficiencia
%
55-58%
transportes,
25-35%
estacionario
60
>40
45-47
35-43
-
Aplicaciones
Back up,
Transporte,
Pequeas
aplicaciones
mviles y
domesticas
Militar,
Aeroespacial
Domesticas
Plantas de
generacin
energtica
Plantas de
generacin
energtica,
Sistemas
Auxiliares
Mviles y
estacionarias
Fuente: (Aguirre, 2009)
Figura N 8: Tecnologas de las pilas de combustible y sus aplicaciones
Fuente: (Comisin Europea, 2003)
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21
Desventajas
Su produccin, almacenamiento y transporte son caros y aun no se solucionan
tecnolgicamente
La calidad del combustible debe ser alta: no admite azufre, monxido de carbono u
otra impureza producto de su produccin
El agua que emiten puede afectar la pila, provoca fallo.
Requieren soportes y sistemas de control sofisticados
Los catalizadores (platino, paladio, rodio) son caros y escasos
Los depsitos de combustible son voluminosos
Su relacin peso potencia es mayor que las mquinas de combustin interna
En resumen, las ventajas se concentran en el alto rendimiento de las pilas de combustible y su
valor al poder almacenar energa en depsitos de gas. Las desventajas se encuentran en la
manipulacin y operacin de la tecnologa. Sin embargo, este problema pude solventarse a
medida que la tecnologa de la ciencia de los materiales avance.
Tipos
La tecnologa de las pilas de combustible ha evolucionado a partir de diferentes electrolitos
utilizados. Su naturaleza les confiere caractersticas de funcionamiento que condicionan su
temperatura de operacin, los gases reactantes, su construccin, vida til y aplicacin.
En la Figura N 8 se desarrolla las diferentes tipos de combustibles el origen de su
combustible y sus aplicaciones. Todas estas caractersticas definen las consideraciones de
seleccin de una pila de combustible para cada situacin.
En la Tabla N 5 se detallan los diferentes tipos de pilas de combustible disponibles en el
mercado. Se identifican caractersticas constructivas que definen su aplicacin en la industria
o en el sector domstico. La tecnologa utilizada en la fabricacin de su electrolito y
electrodos. Quizs las peculiaridades ms relevantes son la potencia, temperatura de trabajo y
eficiencia. A mayor potencia mayor resulta su eficiencia. Se deduce que la produccin y
conversin energtica solo es econmicamente viable s la tecnologa es industrializada.
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22
La Pila de Combustible de Membrana Polimtrica (PEM)
Barreras y Lozano (2012) sostienen que la pila ms comn del mercado es la PEM
(membrana de intercambio de protones o polimricas). Muy utilizadas en aplicaciones
mviles de alta eficiencia y temperatura de operacin baja. Es el dispositivo ms sencillo,
esencialmente el nodo se alimenta de hidrgeno y el ctodo de oxigeno ambiental. Es una
celda elemental, compuesta de una lmina de electrolito y dos electrodos, catalizador, placas
bipolares y capas de difusin de gases.
Figura N 9: Elementos constitutivos de una pila tipo PEM
Fuente: (Aguirre, 2009)
Cuando se suministran los reactantes (hidrgeno y oxgeno) a los electrodos (nodo y ctodo).
Ambos gases ingresan por las placas bipolares y se distribuyen por su superficie por las capas
de difusin. Al ser el catalizador una estructura porosa, se aumenta la superficie de contacto
entre los reactantes. Aumentando la potencia de generacin, se disminuye el platino.
Cuando los reactantes atraviesan la capa de difusin, el catalizador (aleaciones de platino) en
el caso del nodo disocia la molcula de hidrgeno en protones y electrones.
-
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Los protones atraviesan la membrana polimrica hasta llegar al ctodo y los electrones
recorren un circuito externo electrificando una carga externa. La reaccin produce agua. El
funcionamiento de la pila PEM se resume en las siguientes reacciones en el nodo y ctodo
respectivamente:
2 2+ + 2
1
22 + 2
+ + 2 2
La membrana electroltica utilizada es el Nafin, fabricado por Dupont, derivado del Tefln.
La funcin que desempea es convertirse una barrera a los gases reactantes y proporcionar
una excelente conductividad inica.
Actualmente, se buscan materiales alternativos al Nafin debido a su alto coste y evitar el
monopolio de Dupont. La membrana debe poseer caractersticas como la afinidad a la
absorcin de agua, conductividad protnica a bajas temperaturas y de ser una barrera fsica a
los gases reactantes, como el xido de Polietileno y Polietercetonas Sulfonadas (PEEK) pero
aun no poseen una conductividad elevada a temperatura baja.
Contaminantes para las pilas PEM
El principal enemigo de los catalizadores de las pilas PEM es el envenenamiento. Durante el
reformado de gas natural se producen hidrgeno y monxido de carbono, el primero se utiliza
como reactivo sin embargo en la concentracin del gas existe 1%, lo cual provoca una
interaccin entre en catalizador de platino y en monxido de carbono el cual ocupa los huecos
de la estructura del platino que ocupara el hidrgeno para la reaccin, reduciendo su
eficiencia. Por este motivo se recurren a catalizadores platino/ rutenio los cuales resisten el
CO de 200 ppm.
Otra contaminante es el azufre, amoniaco, metales alcalinos e hidrocarburos pesados que
afectan el rendimiento de los catalizadores. Esto con lleva un riguroso mantenimiento
peridico y filtrado en el suministro.
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Implementacin
Un factor importante es la implementacin de la conversin de energa del hidrgeno con una
fuente primaria de energa, el cual es solo un vector, un acumulador energtico, centralizado o
descentralizado. Que poseen ventajas y desventajas productivas y en cada caso su
implementacin es ms sencilla que otros.
Tabla N 6: Proyeccin de costes de produccin de hidrgeno
Tipo
Origen
Margen de costes de
produccin ($/MWh)
Descentralizado Gas natural 36-54
Descentralizado Electrlisis 47-90
Centralizado Carbn 29-36
Centralizado Nuclear 32-76
Descentralizado y
Centralizado
Solar
76-108
Centralizado Gasificacin de la biomasa 47-54
Descentralizado y
Centralizado
Elico 95-120
Fuente: (Linares & Moratilla, 2001)
En cuanto a las energas renovables presenta un gran atractivo debido a la diversidad de
fuentes primarias (solar, elica y biomasa). Hoy la mayor produccin de hidrgeno proviene
del uso de combustibles fsiles, que a mediano plazo la energa renovable generar la des
carbonizacin de dichos combustibles.
La integracin de las energas renovables junto con la produccin de hidrgeno, es un proceso
sobre el cual el Estado favorece indirectamente a travs de polticas que favorecen la
generacin de energa renovable no convencional. En la Ley de Rgimen del Sector Elctrico
articulo 63 y en las regulaciones del CONELEC 004/11 el Estado de manera preferencial
despachar toda energa producto de sistemas aislados y de energas renovables no
convencionales.
Para lo cual determina una lista de precios favorable para esta industria. Los cuales se detallan
en la Tabla N 7.
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Tabla N 7: Precios preferentes establecidos por el CONELEC
Energas renovables Precios cUSD/kWh
Elicas 9.13
Solar 40.03
Biomasa y biogs < 5 MW 11.05
Biomasa y biogs > 5 MW 9.6
Geotrmicas 13.21
Hidroelctrica 1 10 MW 7.16
Hidroelctrica 10 30 MW 6.88
Hidroelctrica 30 50 MW 6.21
Fuente: (CONELEC, 2011)
En la presente investigacin solo se recoge la implementacin hbrida de la energa solar e
hidrgeno, las dems implementaciones no aportan otros datos significativos para los
investigadores.
Utilizacin de la energa solar como productor de hidrgeno
Se pueden utilizar paneles fotovoltaicos para producir electrlisis a baja temperatura. Sin
embargo, su alto coste se orienta esta tecnologa a aplicaciones aisladas. Esto mientras se
reduce los costos de los paneles con el avance de la tecnologa como se pronostica en la
Figura N 10.
En la Figura N 11 se desarrolla la produccin de hidrgeno en base a la energa solar. La ms
sencilla de esta tecnologa es la electrolisis. Ya sea la energa primaria producto de paneles
solares. Esta tecnologa facilita una conversin y, a la vez, un sistema de almacenamiento de
la energa solar mientras no exista luz solar. Punto en el cual coincide la mxima demanda. Se
deber prever grandes depsitos de gas para su posterior utilizacin cuando la lo requiera.
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Paneles solares
Un mdulo fotovoltaico o panel solar (FV) es un grupo de celdas solares independientes
conectadas elctricamente entres s, que proporciona en su salida de conexin un voltaje
continuo (VDC).
Figura N 10: Evolucin de los costes de los paneles solares
Fuente: (Linares & Moratilla, 2001)
Figura N 11: Produccin de hidrgeno basada en la energa solar
Fuente: (Linares & Moratilla, 2001)
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El ciclo de vida del panel solar puede variar entre 25 y 30 aos, dependiendo del tipo del
panel Fotovoltaico.
Tipos de Paneles Fotovoltaicos
Antes de definir los tipos de paneles fotovoltaicos hay que tomar en cuenta que hay distintos
materiales para las celdas fotovoltaicas. Las celdas fotovoltaicas que se ofrecen en el mercado
actual utilizan dos tipos de materiales semiconductores, uno tiene una estructura cristalina
uniforme, el otro una estructura poli cristalina.
Monocristalino: estas celdas estn fabricadas en base a lminas de un nico cristal de muy
alta pureza y estructura cristalina casi perfecta, el espesor aproximado de las lminas es de 1/3
a 1/2 milmetro, las cuales son cortadas de una gran barra o lingote monocristalino creado a
una temperatura cercana a 1400 C, siendo este un proceso muy costoso. La eficiencia de
estas celdas ha llegado hasta el 24% en laboratorio y a un 18% en paneles comerciales, los
paneles construidos con este tipo de tecnologa son los ms desarrollados del mercado, siendo
garantizados por algunos fabricantes por hasta 25 aos.
Policristalino: las lminas policristalinas son fabricadas a travs de un proceso de moldeo,
para esto se funde el silicio y luego se vierte sobre moldes, una vez que el material se ha
secado, se corta en delgadas lminas. El proceso de moldeo es menos costoso de producir que
el silicio monocristalino, pero son menos eficientes, debido a que el proceso deja
imperfecciones en la superficie de la lmina, la eficiencia de conversin alcanza valores
alrededor del 19,8% en laboratorio y de 14% en paneles comerciales. Las caractersticas del
silicio cristalizado, hacen que los paneles de silicio policristalino posean un grosor
considerable, empleando silicio con otros materiales semiconductores, es posible obtener
paneles ms finos e incluso flexibles.
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Figura N 12: Celda solar monocristalino vs policristalino
Fuente: http:// ingenieroandreotti.blogspot.mx/2013/01/plan-solar-san-juan-fabricacion-de.html
Los dos tipos pueden ser identificados a simple vista, ya que la estructura cristalina provee
una superficie de brillo uniforme, mientras que la poli cristalina muestra zonas de brillo
diferente. Adems de dos tipos de estructura, existen las celdas solares tipo amorfo y celdas
solares tipo micro cristalino o nano cristalino.
Las celdas solares tipo amorfo tienen un arreglo menos regular de los tomos, que dan lugar a
enlaces colgantes y varias lagunas donde la recombinacin puede tener lugar. El silicio puede
ser fabricado en cualquier forma o tamao y puede ser producido, en teora, a precios muy
bajos, estos fueron el primer tipo de clulas de energa solar que se utilizaron en la aplicacin
de productos de consumo, como relojes, calculadoras y otras aplicaciones no crticas y al aire
libre.
Figura N 13: Diferencias entre los paneles segn la tecnologa de fabricacin
Silicio Rendimiento
en
laboratorio
Rendimiento
directo
Caractersticas Fabricacin
Monocristalino
24%
15-18%
Son tpicos los azules
homogneos y la
conexin de las
clulas individuales
entre si
Se obtiene de silicio
puro fundido y dopado
con boro
Policristalino
19-20%
12-14%
La superficie est
estructurada en
cristales y contiene
distintos tonos azules
Igual que el del
monocristalino, pero se
disminuye el nmero
de fases de
cristalizacin
Amorfo
16%
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Las celdas solares tipo micro cristalino o nano cristalino, mejor conocidos como paneles de
pelcula fina de energa solar tambin son una categora de las clulas fotovoltaicas, este
concepto es una extensin de la idea detrs de silicio amorfo sin embargo en lugar de utilizar
silicio de la industria en este caso se usan otros elementos, el ms eficiente de los cuales es de
arseniuro de galio de pelcula fina. Estos tipos de clulas solares requieren menos materia
prima que implicara que el costo de las materias primas debe ser inferior. Sin embargo,
debido al alto grado de manipulacin y los costos de transformacin de tales clulas delgadas,
combinadas con la mayor eficiencia, hace que sea muy difcil juzgar si vale la pena su precio.
Si se habla de eficiencia en lo que respecta a paneles solares, el monocristalino tiene una
ventaja mayor porque tiene un porcentaje de entre el 12% al 15% de eficiencia. Mientras que
el policristalino mantiene una eficiencia del 11% a 14%, en tanto el amorfo siendo el ms
econmico lleva un porcentaje de eficiencia del 6% al 7%.
Bateras
Una batera es esencialmente un recipiente lleno de qumicos que producen electrones, las
reacciones qumicas son capaces de producir electrones y este fenmeno es llamado reaccin
electroqumica. En los llamados sistemas solares autnomos o sistemas fotovoltaicos
domiciliarios (SFD), las bateras almacenan electricidad que ser utilizada durante la noche.
As mismo, suministran electricidad durante periodos de escasez o ausencia de luz solar,
necesaria para que el panel solar produzca energa.
La duracin del periodo que puede ser cubierto est determinada por la demanda de
electricidad y el tamao de la batera de almacenamiento, estn disponibles en diversas
formas y tamaos, las de 12V son las ms utilizadas. Si las bateras son nuevas y son del
mismo tipo y tamao, pueden ser conectadas para incrementar la capacidad del
almacenamiento de batera.
Funcionamiento
Si se examina una batera, esta tiene dos terminales, un terminal est marcado (+) positivo
mientras la otra est marcada (-) negativo.
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Si se conecta un cable entre las terminales positivas y negativas los electrones pasarn de la
terminal negativa a la positiva. Est afirmacin es el sentido real de la corriente elctrica.
Purcell, 1988, p. 141). Esta aseveracin no contradice lo establecido en la bibliografa
cientfica que establece el flujo de corriente de positivo a negativo. Ya que inicialmente el
flujo de electrones se inicia en el polo positivo donde el electrn ms cercano es atrado por
este polo produciendo un hueco que es ocupado por otro electrn desencadenando el flujo de
electrones hasta el polo negativo. La continua intermitencia entre la carga y descarga
provocan el sobrecalentamiento de la reaccin qumica dentro del dispositivo. Las bateras de
gel permiten una solucin a este problema ya que utilizan compuestos que toleran este
fenmeno.
En la Figura N 7 se detallan las caractersticas de las diferentes bateras disponibles. La
caracterstica sobresale sobre las dems, es la auto descarga y el nmero de ciclo. En los
sistemas fotovoltaicos estos datos deben ser los ms elevados posibles para evitar el
sobrecalentamiento del artefacto.
Una auto descarga elevada permite operar el sistema aun cuando no exista radiacin solar. El
nmero de ciclos favorece la accin de discontinua de la carga del panel fotovoltaico y la
variabilidad de la energa que el dispositivo provee a la batera.
Tabla N 8: Tipos de bateras con sus respectivas caractersticas
Tipo de batera
Tensin
por
celda
(V)
Tiempo
de
recarga
Auto
descarga por
mes
N de
ciclos
Capacidad
(por
tamao)
Wh/kg
Precio
Plomo-acido 2 8-16 horas
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9. HIPTESIS
Si se construye un catalizador electroltico de obtencin de hidrgeno permitir generar
energa elctrica mediante un sistema pila combustible?
Variable Independiente
Construccin de un catalizador electroltico de obtencin de hidrgeno.
Variable Dependiente
Generacin de energa elctrica mediante un sistema pila combustible.
Tabla N 9: Operacionalizacin de las variables
Variable Dimensin Indicador Tcnicas e
Instrumentos
Variable
Independiente:
Construccin de un
catalizador electroltico
de obtencin de
hidrgeno
Hidrgeno
Seleccin del tipo de
catalizador
Tcnica: investigacin y
observacin,
Experimentacin
Instrumento: Cuaderno
de notas
Produccin de hidrgeno
Calculo terico de la
produccin de hidrgeno
Proceso electroltico:
tipos y consideraciones
de diseo
Determinacin de los
lineamientos iniciales de
construccin
Dimensionamiento de
los componentes del
catalizador
Variable Dependiente:
Generacin de energa
elctrica mediante un
sistema pila
combustible
Pilas de combustible
Seleccin de la pila de
combustible adecuada
Tcnica:
Experimentacin
Instrumento: Multmetro
Ventajas y desventajas
Implementacin de la
tecnologa de conversin
de hidrgeno-
electricidad
Tipos
Implementacin de la
tecnologa: Energa Solar
Dimensionamiento de la
fuente primaria de
energa de acuerdo a la
potencia requerida Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A.
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10. METODOLOGAS Y DISEO EXPERIMENTAL
Mtodos
En el presente proyecto de investigacin se ha aplicado el mtodo cientfico experimental el
cual aplica mtodos definitorios y clasificatorios, mtodos estadsticos, procedimientos de
medicin, entre otros.
Se ha utilizado tambin el mtodo hipottico-deductivo que consisti en primera instancia el
de obtener energa elctrica a travs del hidrgeno para ser almacenada en una pila de
combustible, debido a ello se cre una hiptesis para construir un catalizador electroltico,
con ello se lleg a la deduccin de las consecuencias si se procediera a la instalacin de un
mdulo como posible solucin del problema, luego de ello se teoriz las efectos
fundamentales planteadas en la hiptesis y se logr verificar la verdad de los enunciados
deducidos comparndolos con la experiencia obtenida.
Figura N 14: Metodologa de diseo
Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A.
La metodologa de diseo se describe en la Figura N 14 la cual consiste en tres pasos:
2
1
3
1
2
3
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1) Determinacin de la energa solar disponible: seleccin y dimensionamiento de los
componentes del sistema de fotovoltaico.
2) Dimensionamiento y construccin de un catalizador electroltico: clculos y seleccin
de materiales para la elaboracin del dispositivo. Y determinacin, terica, del gas
hidrgeno producido
3) Implementacin de una pila de combustible: seleccin del dispositivo adecuado para el
sistema hbrido solar hidrgeno.
Los detalles de estos pasos se describen en el punto de seleccin de los componentes del
sistema.
Tcnicas
Como principal tcnica se utiliz la observacin cientfica con lo cual se determinaron los
parmetros tcnicos del mdulo, esta tcnica se utiliz a la par con la tcnica de medicin
para calcular el dimensionamiento del sistema fotovoltaico, catalizador electroltico y la
seleccin tcnica de la pila de combustible.
Instrumentos
Se utilizaron instrumentos tcnicos de medicin como son: voltmetro y ampermetro que nos
permitieron medir el voltaje generado en la pila de combustible con respecto al volumen de
gas generado por el catalizador en un perodo de 5 das, para garantizar la veracidad de los
datos y mtodos estadsticos, se registr todos los eventos y valores obtenidos en cuadros
estadsticos que nos permitieron obtener curvas de cada uno de los parmetros, voltaje-
intensidad, potencia-caudal, litros de hidrgeno-temperatura por cada placa.
Seleccin de los componentes del sistema
Sistema fotovoltaico
Se consideraron los siguientes parmetros iniciales:
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Voltaje de operacin. en el mercado nacional los paneles solares funcionan en un
rango de voltajes de 5 Vcd, 7 Vcd y 12 Vcd. La interconexin de varios paneles en
paralelo, serie o una combinacin, permite obtener diferentes voltajes. Para simplificar
la implementacin se opt por utilizar un solo panel con un voltaje de trabajo de 12
Vcd. Sin considerar la tensin de servicio del inversor.
Corriente de operacin. - no existe una carga de consumo preestablecida en el
diseo. Se opt por 1 A como un valor adecuado para que el catalizador trabaje. No es
excesivo en caso de algn desperfecto elctrico y cumple con el objetivo del proyecto.
Con factor de utilizacin de 0.6 y un trabajo de 6 horas diarias se define la energa
necesaria de 53.2 W/hora/da.
Se consider un factor de seguridad de 1.2. Esto debido a posibles imperfecciones en
la construccin del catalizador electroltico. Y permitir un margen de error. Entonces
el valor de la energa necesaria fue 51.84 W/hora/da.
En la ciudad de Latacunga la energa que irradia el Sol en promedio anualmente es 2.4
kW/m2/da. En la Tabla N 11 se define las caractersticas elctricas del sistema fotovoltaico.
En base a los datos antes expuestos se procede a la seleccin de los componentes.
Tabla N 10: Caractersticas del sistema fotovoltaico
Indicador Valor Unidad
Carga diaria 18 W
Energa 51,84 W/hora/da
Tensin de trabajo 12 Voltios
Carga diaria Icc 4,32 Ah
Factor de seguridad 1,2
Carga corriente
corregida
5,184 Ah
Insolacin difusa anual 2,4 kW/m2/da
Corriente pico del
sistema
2,16 A
Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A.
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Componentes
Se selecciona un panel fotovoltaico policristalino marca Enercity de 50 W que abaste 2.7
veces al catalizador. En la Tabla N14 se describen sus principales caractersticas.
Tabla N 11: Caractersticas del Panel solara Enercity 50C
Indicador Valor Unidad
Potencia 50 W
Voltaje pico 22 V
Tensin de trabajo 17.5 Vcd
Intensidad pico 2.86 A
Tolerancia +-3%
Dimensiones 540*670*30 mm
Eficiencia 14%
Fuente: (Enercity, 2008)
Para la eleccin de la batera se define la capacidad y la reserva. Mediante el clculo y las
caractersticas iniciales del sistema fotovoltaico. Y tomando como tentativa una batera
Enercity cell de 55 Ah. Los resultados se presentan en la Tabla N12. Podemos deducir que la
batera tendr una reserva de energa de 6 das. Ideal para el laboratorio de Electromecnica
en caso de no existir la posibilidad de cargar la batera con el panel solar.
Tabla N 12: Caractersticas requeridas de la batera
Dimensionamiento
Corriente de trabajo 5,184 Ah
Capacidad corregida 8,64 Ah
Das de reserva 6,365 Das
Nmero de bateras 1
Fuente: (Enercity, 2008)
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La capacidad del inversor se define por la potencia de trabajo (18 W) y se seleccion un
Inversor marca Enercity cuya potencia de operacin es de 500 W suficiente para para
abastecer el catalizador electroltico.
El Regulador de carga se define por la corriente pico del sistema 2.16 A. se eligi un
controlador marca Enercity.
Catalizador electroltico
Se construy un prototipo en el cual se definieron los siguientes parmetros de diseo:
Voltaje de operacin. - Como el sistema utiliza la tensin proveniente de un panel
fotovoltaico comercial. Se considera un voltaje de trabajo de 12 Vcd. Sin considerar la
tensin de servicio del inversor.
Conexin elctrica. los electrodos pueden ser conectados en serie o en paralelo con
la solucin electroltica. En base a lo mencionado en Linares y Moratilla (2001, p. 56)
se selecciona una configuracin en serie con un espacio, entre placa y placa, de 3 mm.
Ya que el catalizador trabajarcon una corriente menor de 10 A.
Solucin electroltica. - Se usar como electrolito agua desmineralizada junto con el
hidrxido de potasio (KOH). El cual segn la Tabla N 4 es el adecuado para nuestra
aplicacin. Baja corriente y baja temperatura.
Material de los electrodos. - En la investigacion de Holgado (2012, p. 111), se
segiere el acero inoxidable 316-L como la mejor opcin para los electrodos su
capacidad conductiva y su bajo costo. Lo hacen asequible para el proyecto a
comparacin del nquel.
Dimensiones de los electrodos. Para definir las dimensiones de los electrodos
tomamos como punto de partida la recomendacin de Linares & Moratilla (2001, p.
56) una densidad de corriente de 0.1 A/cm2. Es decir, que el electrodo deber conducir
una amperio de electricidad entre la solucin a razn de 0.01 A/cm2. Obtenemos como
superficie del electrodo de 81 cm2 (9 x 9 cm) con una densidad de corriente de 0.0123
A/cm2.
Nmero de electrodos. la diferencia de tensin entre las celdas debe procurarse
conservar en 1.48 V (Linares & Moratilla 2001) este valor mantiene la eficiencia del
sistema. Si consideramos una configuracin en serie de los electrodos. Una cada de
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voltaje entre 1.5 y 2 V. Y despreciamos la conductividad elctrica del acero inoxidable
316-L y los conductores elctricos. Solo nos queda la resistencia elctrica de la
solucin. En Linares & Moratilla (2001, p. 56) se obtuvieron datos sobre la solucin
de hidrxido de potasio al 28 % de 2.22 . Teniendo en cuenta el voltaje e intensidad
elctrica de operacin antes previstos. Se necesitaron 7 placas de acero inoxidable.
Como se detalla en la Figura N 15:
Figura N 15: Diferencia de tensin entre las celdas
Elaborado por: Chicaiza F., Jcome A. elaborado en el software Proteus profesional
Con los parmetros elctricos bsicos y las caractersticas de los electrodos procedemos a la
construccin del catalizador.
Placas internas
Este tipo de generador de hidrgeno de celda seca; est compuesta por 7 placas de acero
inoxidable de 120x120 mm constituyendo nodos, ctodos y neutras separadas entre ellas de
empaques de caucho termo dilatables debido a sus propiedades elsticas, condicin de
hermeticidad y fcil proceso de manufactura. Se mencion con anterioridad una superficie de
81 cm2 (9 x 9 cm), sin embargo, esta es la superficie por la cual la solucin electroltica tiene
contacto con la placa. Sin considerar aquellas superficies que no estn en contacto con la
solucin como los empaques de caucho.
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Figura N 16: Placas de acero inoxidable
