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DISEO DE UN SISTEMA DE GENERACIN DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

JUAN DAVID VELSQUEZ PIEDRAHTA JOHN FREDY QUICENO CASTAEDA

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

PEREIRA MAYO DE 2013

DISEO DE UN SISTEMA DE GENERACIN DE HIDRGENO POR ELECTRLISIS

JUAN DAVID VELSQUEZ PIEDRAHTA JOHN FREDY QUICENO CASTAEDA

Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar el ttulo de Ingeniero Mecnico.

Director JUAN ESTEBAN TIBAQUIR IM, M.Sc, Ph.D

UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

PEREIRA MAYO DE 2013

Nota de aceptacin _______________________

_______________________

_________________________ Director

__________________________ Evaluador

Pereira, Mayo de 2013

DEDICATORIAS

Juan David Velsquez Piedrahta Agradezco en primer lugar a Dios por permitirme llegar donde estoy, por iluminar mi camino, por llenarme de fortaleza y paciencia para guiarme hacia esta gran meta en mi vida pero ms que todo le agradezco inmensamente por darme el mejor de los regalos, la vida y una maravillosa familia. A mis padres les agradezco por su apoyo incondicional, por creer en m y siempre tener una voz de aliento en los momentos ms difciles, por inculcarme todos los valores que hacen de mi la persona que soy, a ellos les dedico todos mis triunfos y xitos. A mi hermana por escucharme, brindarme sus consejos, por el apoyo que me ha brindado y por las infinitas palabras de aliento que me han ayudado cuando ms lo necesito y a toda mi familia que de alguna manera han puesto su granito de arena para culminar satisfactoriamente esta etapa de mi vida. John Fredy Quiceno Castaeda Agradezco principalmente a mi mam, Martha, quien gracias a su constante apoyo, logr impulsarme hasta el final de esta dura meta. A mi hermana Dayana, gracias a ella luch siempre por ser una mejor persona, para ensearle y guiarla por un mejor camino. Y Gonzalo, de l salieron grandes consejos y voces de aliento que junto a las palabras amables de mi madre lograron inspirarme a llenarlos de orgullo.

AGRADECIMIENTOS

A nuestras familias quienes con su constante gua y apoyo nos impulsaron a llegar a este momento de nuestras vidas. A nuestros compaeros de estudios, gracias a sus consejos superamos obstculos difciles que se presentaron para culminar esta meta. A nuestro director Juan Esteban Tibaquir, por su apoyo y colaboracin en la culminacin de esta meta. Y a todos los que de alguna manera aportaron en la realizacin de este trabajo.

CONTENIDO

Pg.

RESUMEN 12

INTRODUCCIN 13

DESCRIPCIN DEL TRABAJO 14

CAPTULO 1 REVISIN DEL ESTADO ACTUAL DEL DISEO DE

ELECTROLIZADORES 15

1.1 Tipos de celda de combustible 15

1.1.1 Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones

(CCMIP) 15

1.1.2 Las celdas de combustible de metanol directo (CCMD) 16

1.1.3 Las celdas de combustible de carbonato fundido (CCCF) 16

1.1.4 Las celdas de combustible de xido solido (CCOS) 17

1.2 Obtencin de hidrgeno 17

1.2.1 Electrlisis 18

1.2.2 Descomposicin de gas natural por arco de plasma 19

1.2.3 Termlisis 20

1.2.4 Termo catlisis 20

1.2.5 Reformado 20

1.2.6 Gasificacin 20

1.2.7 Bio-fotlisis 21

1.2.8 Fermentacin oscura 21

1.3 Estado actual del diseo de electrolizadores 21

1.3.1 Materiales 22

1.3.2 Eficiencia 23

1.3.3 Clasificacin de los electrolizadores. 24

1.3.3.1 Clasificacin de los electrolizadores segn sus materiales de diseo24

1.3.3.2 Clasificacin de los electrolizadores segn la disposicin y forma de

conexin de los electrodos. 25

1.4 Seleccin del electrolizador 25

CAPTULO 2 DISEO DEL ELECTROLIZADOR 30

CAPTULO 3 ESTADO ACTUAL DEL ALMACENAMIENTO DE HIDRGENO 35

3.1Tipos de almacenamiento 36

3.1.1 Almacenamiento como un gas comprimido en un tanque 36

3.1.2 Almacenamiento como un hidruro de metal 38

3.1.3 Almacenamiento del hidrgeno en forma de un lquido criognico 38

3.1.4 Almacenamiento en nano fibras o nano tubos de carbono 40

3.2 Materiales para el almacenamiento del hidrgeno 41

CAPTULO 4 DISEAR EL SUB-SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE

HIDRGENO 42

CONCLUSIONES 44

RECOMENDACIONES 46

BIBLIOGRAFA 47

ANEXOS 50

LISTA DE FIGURAS

Pg.

FIGURA 1. CELDA DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE INTERCAMBIO DE PROTONES 15

FIGURA 2. CELDA DE COMBUSTIBLE DE CARBONATO FUNDIDO 16 FIGURA 3. CELDA DE COMBUSTIBLE DE OXIDO SLIDO 17 FIGURA 4. ELECTROLIZADOR 19 FIGURA 5. DIAGRAMA DE UN ELECTROLIZADOR 22 FIGURA 6. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN ELECTROLIZADOR PEM 24 FIGURA 7. ESTRUCTURA DE UN ELECTROLIZADOR PEM. 27 FIGURA 8. ESTRUCTURA DEL NAFION 28 FIGURA 9. REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE DIFERENTES TIPOS DE

NANO FIBRAS DE CARBONO: A) PLAQUETAS GRAFTICAS, B) CINTAS DE GRAFITO, C) GRAFITO EN FORMA DE ESPINA DE PESCADO, D) NANO TUBO DE PARED SIMPLE Y E) NANO TUBO DE MLTIPLES PAREDES. 41

LISTA DE TABLAS

Pg.

TABLA 1. INFORMACIN DEL HIDRGENO Y EL AGUA 30

TABLA 2. ESTADO DE LA TECNOLOGA Y MATERIALES PARA EL ALMACENAMIENTO DE HIDRGENO 35

TABLA 3. DATOS COMPARATIVOS DE DOS CILINDROS QUE SE UTILIZAN PARA ALMACENAR EL HIDRGENO A ALTA PRESIN. 36

GLOSARIO

Hidrgeno: el hidrgeno es un elemento qumico representado por el smbolo H y con un nmero atmico de 1. En condiciones normales de presin y temperatura, es un gas diatmico (H2) incoloro, inodoro, inspido, no metlico y altamente inflamable. El hidrgeno es el elemento qumico ms ligero y es, tambin, el elemento ms abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia visible del universo. [1] Electrodo: un electrodo es una superficie en donde ocurren reacciones de xido-reduccin. Por lo que los procesos tienen lugar en la interface metal-solucin de cualquier metal en contacto con un electrolito. El metal en contacto con el electrolito tiene, por un lado, tendencia a disolverse, con lo que queda cargado negativamente. Y por otro lado, a que iones del electrolito se depositen sobre el metal. [2] nodo: es un electrodo en el cual se produce una reaccin de oxidacin. [3] Ctodo: es un electrodo en el cual se produce una reaccin de reduccin. [3] Reduccin: reaccin qumica mediante la cual un tomo gana electrones. [3] Oxidacin: reaccin qumica mediante la cual un compuesto sede electrones al medio. [3] Electrolito: un electrolito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor elctrico. [3] Celda de combustible: una celda de combustible es un dispositivo electroqumico cuyo concepto es similar al de una batera. Consiste en la produccin de electricidad mediante el uso de qumicos, que usualmente son hidrgeno y oxgeno, donde el hidrgeno acta como elemento combustible y el oxgeno es obtenido directamente del aire. [4] Combustible: sustancia que reacciona qumicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El trmino combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fcilmente en aire u oxgeno emitiendo grandes cantidades de calor. [5] Combustibles fsiles: sustancias ricas en energa que se han formado a partir de plantas y microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles fsiles, que incluyen el petrleo, el carbn y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energa que mueve la moderna sociedad industrial. [6]

Petrleo: lquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgnicas. Tambin recibe los nombres de petrleo crudo, crudo petrolfero o simplemente crudo. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria qumica. [7] Reaccin qumica: proceso en el que una o ms sustancias denominadas reactivos, se transforman en otras sustancias diferentes llamadas productos de la reaccin. [8] Electrolizador: equipo capaz de descomponer el agua en sus elementos base (oxgeno e hidrgeno) mediante la electrlisis

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RESUMEN

Este proyecto se desarrolla con el objetivo de disear un sistema de generacin de hidrgeno (H2) por electrlisis para la celda de combustible de membrana de intercambio protnico que fue diseada y construida en la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Universidad Tecnolgica de Pereira. Con el fin de conocer en qu punto se encuentra el estado del arte actual del diseo de electrolizadores y sistemas de almacenamiento, se realiza una revisin bibliogrfica asociada a la generacin de hidrgeno, su consumo en diferentes celdas de combustible y su modo de almacenarse. Para cumplir con este objetivo, se visitaron las bibliotecas: del Banco de la Repblica, Lucy Tejada y Jorge Roa Martnez. Adicionalmente se consultaron las bases de datos electrnicas con las que dispone la Universidad Tecnolgica de Pereira. Despus de esta revisin bibliogrfica y habiendo conocido los diferentes tipos de electrolizadores, se toma la decisin de escoger el sistema que brinde mayor durabilidad y ofrezca una mayor eficiencia, por lo tanto se escoge el electrolizador tipo membrana de intercambio de protones. Para establecer los parmetros del electrolizador, se recurre a la informacin obtenida en la revisin bibliogrfica, de donde se seleccionan los materiales de construccin de las diferentes partes del sistema; como los electrodos, la membrana de intercambio de protones (PEM), las placas bipolares y difusoras de gas. En base a la corriente que va a generar la celda de combustible, es posible conocer la demanda de hidrgeno generado por el electrolizador que para este caso es 350scm3/min y con base en esta informacin se calcula el rea de la PEM que es 50 cm2, esta dimensin es el dato de entrada para comenzar con el diseo del electrolizador. En cuanto a los sistemas de almacenamiento de hidrgeno, se presenta una informacin detallada con respecto a los tipos que existen, sus ventajas y desventajas y sus rangos de funcionamiento.

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INTRODUCCIN El hidrgeno es el elemento ms ligero de la naturaleza, as como el ms abundante en el universo, totalizando ms del 70%. Se encuentra en las estrellas jvenes, en el polvo interestelar y en las enormes nubes de gas suspendidas en el espacio, pero la mayor parte de l se encuentra formando diversos compuestos qumicos. Presenta muy baja solubilidad en lquidos, pero una alta solubilidad en metales, especialmente en paladio. En su forma atmica puede solubilizarse en metales dando lugar a compuestos con relacin estequiomtrica del tipo de aleaciones, o no estequiomtrica del tipo de hidruros. El hidrgeno es un gas incoloro, inodoro, inspido, altamente flamable y no es txico. El hidrgeno se quema en el aire formando una llama azul plido casi invisible. El hidrgeno es el ms ligero de los gases conocidos en funcin a su bajo peso especfico con relacin al aire. Por esta razn, su manipulacin requiere de cuidados especiales para evitar accidentes. El hidrgeno es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a su bajo peso molecular (peso molecular = 2,016 g/mol). Es un combustible con un alto contenido energtico, que proporciona 28,7 kcal/g. de hidrgeno, frente a 11,9 kcal/g del gas natural, 10,8 kcal/g de la gasolina, 10,932 kcal/g del butano y 10,08 kcal/g del propano [9]. Es el tercer elemento ms comn en la Tierra despus del oxgeno y el silicio. El hidrgeno es el elemento ms simple que conoce el hombre. Un tomo de hidrgeno tiene tan slo un protn y un electrn y es el origen de toda la energa que proviene del sol. El sol es bsicamente una bola gigante de gases de hidrgeno y helio. En un proceso llamado fusin, cuatro tomos de hidrgeno se combinan para formar un tomo de helio, liberando gran cantidad de energa en forma de radiacin. Es almacenado como energa qumica en combustibles fsiles. El hidrgeno es un gas (H2), no obstante, no existe en forma natural en la tierra. Slo se puede encontrar en forma compuesta. Combinado con oxgeno es agua (H2O), combinado con carbn es una forma orgnica tal como el metano (CH4), hulla, petrleo, entre otros. Se encuentra en todos los organismos crecientes (biomasa). La mayora de esta energa que usamos hoy en da proviene de combustibles fsiles. Cada da utilizamos ms energa, principalmente hulla, para producir electricidad. El hidrgeno es una de las energas portadoras ms prometedoras del futuro. Es de alta eficiencia, produce baja polucin, puede ser usado para transporte, calor y generadores de poder en lugares donde es difcil de usar electricidad. Mientras el hidrgeno no sea encontrado en manera natural, debe ser producido. Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fsiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la produccin de amonaco (usado principalmente para fertilizantes) tambin se utiliza como combustible y refrigerante, adems en la industria qumica se usa para la hidrogenacin de distintos productos como grasas o petrleos [10].

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DESCRIPCIN DEL TRABAJO

En el captulo 1 se encuentra una amplia descripcin de las celdas de combustible y electrolizadores usados en la actualidad, adems de las diferentes partes que lo componen y los materiales utilizados para su construccin. Tambin se selecciona el tipo de electrolizador a disear en este trabajo. En el captulo 2 estn los clculos necesarios para el diseo del electrolizador seleccionado en el captulo anterior, entre los que estn la corriente que se espera generar al usar el hidrgeno en una celda de combustible, flujo msico y flujo volumtrico de hidrgeno, consumo de agua y el rea necesaria de Nafion (membrana de intercambio de protones). Adems, tambin se encuentran los planos de construccin del electrolizador. En el captulo 3 se concentran los resultados de la revisin bibliogrfica en los sistemas de almacenamiento de hidrgeno, en los tipos que hay y en los materiales utilizados. En el captulo 4 se exponen las razones por las que se decide disear el sistema de generacin de hidrgeno para que alimente de forma directa cualquier dispositivo que se le conecte.

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Captulo 1 Revisin del estado actual del diseo de electrolizadores 1.1 Tipos de celda de combustible

Para transformar hidrgeno en energa es comn usar las celdas de combustible, estas celdas se componen de tres partes que son: nodo, electrolito y ctodo, el hidrgeno ingresa por el lado del nodo entrando en contacto con la capa de difusin de gas, la cual se encarga de ubicar homogneamente el hidrgeno sobre la capa catalizadora, esta capa, normalmente de platino y carbono, se encarga de separar los protones de los electrones, estos ltimos realizan el trabajo, mientras que los protones pasan por el electrolito. Por el ctodo est ingresando oxgeno proveniente del aire, unindose con el hidrgeno del nodo y formando agua. Existen varios tipos de celdas de combustible las cuales se describen a continuacin. 1.1.1 Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (CCMIP) son un tipo de celda que contiene una membrana, la cual es fabricada generalmente en un polmero conductor de protones, la membrana conduce los protones hacia el ctodo debido a la composicin qumica de esta, pero los electrones se ven forzados a tomar otro camino, debido a que la membrana es construida en materiales aislantes, este otro camino puede ser el abastecimiento de energa, despus de esto, los electrones que han viajado por el circuito externo y los protones empiezan a reaccionar con el oxgeno generando agua en forma de lquido o vapor, que son los residuos que genera este proceso qumico. Figura 1. Celda de combustible de membrana de intercambio de protones

Fuente. U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy. Fuel Cell technologies Office Fuel Cells

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1.1.2 Las celdas de combustible de metanol directo (CCMD)

Son una subcategora de las celdas de intercambio de protones las cuales utilizan el metanol como combustible. Su principal ventaja es la facilidad de transporte del metanol, un lquido denso en el cual su energa es razonablemente estable en condiciones ambientales, pero tiene como desventaja que sus eficiencias son bajas comparadas con otro tipo de celdas de combustible. Los rangos de trabajo en este tipo de celdas estn entre los 25W y los 5kW y las temperaturas de trabajo entre 90 y 120 C. 1.1.3 Las celdas de combustible de carbonato fundido (CCCF)

Son un tipo de celdas que usan sal de litio de carbonato potsico como electrolito a altas temperaturas (superiores a 600 C).Esta sal se funde permitiendo el flujo de carga, siendo la carga los iones negativos del carbonato dentro de la celda. Este tipo de celda puede utilizar como combustible adems de hidrgeno puro, gases como el gas natural, biogs y el gas producido a partir de carbn. El hidrgeno presente en estos gases reacciona con los iones de carbonato y se generan como residuos agua, dixido de carbono y pequeas cantidades de otros productos qumicos. Los electrones viajan a travs de un circuito externo generando electricidad y regresan al ctodo, all el oxgeno reacciona con el aire y el dixido de carbono que son enviados desde el ctodo para formar iones de carbonato y reponer el electrolito. La principal desventaja de este tipo de sistemas est en su corta vida til, pues el electrolito de carbonato acelera la corrosin del nodo y el ctodo acortando la durabilidad del sistema.

Figura 2. Celda de combustible de carbonato fundido

Fuente. U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy. Fuel Cell technologies Office Fuel Cells

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1.1.4 Las celdas de combustible de xido slido (CCOS)

Son un tipo de celda en la cual el oxgeno cargado negativamente viaja del ctodo al nodo y los iones de hidrgeno cargados positivamente viajan del nodo al ctodo como en todos los dems tipo de celdas de combustible. Este tipo de celdas posee la ventaja de que el combustible utilizado no debe ser necesariamente hidrgeno puro, si no que puede ser un gas rico en hidrgeno como es el caso del metano, el butano y el propano, incluso es capaz de trabajar con hidrocarburos pesados como la gasolina y el diesel, pero con una reformacin previa. Los residuos que genera este tipo de celda son agua, calor y energa elctrica al igual que en los dems tipo de celda. Segn el tipo de combustible que se utilice para su proceso puede generar dixido de carbono CO2, pero sus emisiones son mucho menores comparadas con una planta de generacin de energa elctrica a partir de combustibles fsiles.

Los rangos de operacin de este tipo de celdas son de 100W a los 2MW y sus temperaturas de operacin estn entre los 800 y los 1000 C [11]. Figura 3. Celda de combustible de xido slido

Fuente U.S. Department of Energy - Energy Efficiency and Renewable Energy. Fuel Cell technologies Office Fuel Cells

1.2 Obtencin de hidrgeno

El hidrgeno hoy en da se ha convertido en una de las principales fuentes de estudio, referentes a las formas de energa alternativas, se estn investigando a gran escala la forma ms eficiente de obtenerlo, su gran potencial se debe a que es un elemento abundante, sin embargo no es posible encontrarlo libre. Su molcula ms sencilla es el hidrgeno diatmico, en la tierra tampoco se encuentra esta forma elemental del hidrgeno, pero se le puede obtener a partir del agua o los hidrocarburos, despus de realizar ciertos procesos elctricos, trmicos, qumicos o bioqumicos.

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La obtencin del hidrgeno se puede clasificar dependiendo del tipo de energa utilizada en el proceso, elctrica, trmica, fotnica y bioqumica. Dentro de esta clasificacin encontramos diversas maneras de obtener el hidrgeno como lo son:

Energa elctrica: - Electrlisis (agua) - Descomposicin de gas natural por arco de plasma (gas natural)

Energa trmica: - Termlisis - Termo catlisis - Proceso termoqumico:

o Conversin de biomasa o Divisin de agua o Gasificacin o Reformacin de metano

Energa fotnica: - PV-electrlisis (agua) - Foto-catlisis (agua) - Mtodo foto-electro-qumico (agua) - Bio-fotolisis (agua)

Energa bioqumica: - Fermentacin oscura (biomasa) - Enzimtica (agua)

A continuacin se explican las formas ms utilizadas para obtener el hidrgeno y especialmente la electrlisis, como caso especfico de este estudio. 1.2.1 Electrlisis

El proceso consta de dos electrodos que estn conectados a un flujo de energa elctrica y sumergidos en una solucin (comnmente agua), el que est conectado al polo positivo es conocido como nodo y el conectado al polo negativo como ctodo, cada electrodo atrae a los iones opuestos, as el nodo atrae a los iones negativos y es el lugar donde aparece el oxgeno, mientras que en el ctodo se atraen a los positivos haciendo que el hidrgeno aparezca all.

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Figura 4. Electrolizador

Algunos aspectos importantes a tener en cuenta son:

Nunca deben unirse los electrodos, ya que la corriente elctrica no va a realizar el recorrido correcto y por lo tanto la batera se sobrecalentar y quemar.

Siempre debe utilizarse corriente continua como por ejemplo energa de bateras o de adaptadores de corriente, nunca corriente alterna como la energa obtenida del enchufe de la red.

La electrlisis debe hacerse de tal manera que los dos gases desprendidos no

entren en contacto, de lo contrario produciran una mezcla peligrosamente explosiva ya que el oxgeno y el hidrgeno resultantes se encuentran en proporcin estequiomtrica.

Una manera de producir agua otra vez, es mediante la exposicin a un catalizador.

El ms comn es el calor, aunque existen otros como el platino en forma de lana fina o polvo, en este caso debe hacerse con mucho cuidado, incorporando cantidades pequeas de hidrgeno en presencia de oxgeno y el catalizador, de manera que el hidrgeno se queme suavemente, produciendo una llama tenue, de lo contrario podra ocurrir un accidente.

El parmetro para ingresar a un catlogo y seleccionar el electrolizador adecuado es nicamente el flujo volumtrico de hidrgeno deseado a la salida del sistema. [12] 1.2.2 Descomposicin de gas natural por arco de plasma

Para este mtodo se utiliza un reactor el cual est compuesto de 3 electrodos y plasma inyectado, el plasma se utiliza en estado ionizado, en donde sus electrones

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se encuentran en estado excitado y es utilizado como medio de alto voltaje para la descarga de corriente elctrica. Se utiliza como fuente de hidrgeno al gas natural, el cual est compuesto bsicamente por metano, cuando se hace fluir el metano a travs del arco de plasma ionizado, debido a la excitacin de los electrones, este se disocia en hidrgeno y carbono negro, el hidrgeno permanece en su estado gaseoso mientras que el carbono se solidifica en forma de holln. 1.2.3 Termlisis

Es el proceso por el cual un compuesto se divide en dos o ms componentes debido a un considerable aumento de temperatura, en el caso del agua, se encuentra que el proceso de disociacin se presenta a partir de los 2500 K, temperatura en la cual se permite una disociacin de poco ms del 4% a presin atmosfrica. Este proceso es reversible, por lo tanto, para no perder el hidrgeno obtenido se debe realizar un enfriamiento para detener la reaccin qumica, este enfriamiento no debe tardar ms de unos cuantos milisegundos, este se realiza con la ayuda de un gas auxiliar que se encuentra entre los 400 a 450 K y no es reactivo con el hidrgeno, pues de lo contrario se podra perder gran cantidad del hidrgeno. 1.2.4 Termo catlisis

En vista de la limitacin de los materiales existentes hoy en da para la realizacin de la termlisis, debido a las altas temperaturas involucradas, existe la posibilidad de utilizar catalizadores para disminuir las temperaturas de disociacin, utilizando hilos metlicos como catalizador, se observa una disociacin del hidrgeno a temperaturas de 1600 K, la descomposicin del agua se aprecia en porcentajes menores, pero esto se ve compensado en el aumento en la tasa de reaccin debido al catalizador. 1.2.5 Reformado

Este proceso consiste en la reaccin de un hidrocarburo con el vapor de agua, bsicamente lo que se hace es exponer el hidrocarburo, generalmente metano, con vapor de agua a unas condiciones de presin entre 3 y 25 bares y temperatura entre 700 y 900 C, generando varias reacciones qumicas que arrojan como resultados hidrgeno y dixido de carbono, debido a la gran cantidad de energa involucrada en el proceso, es generalmente utilizado para la produccin a gran escala. En algunos casos la pureza del hidrgeno no es muy buena, por el contenido de azufre presente en el hidrocarburo. 1.2.6 Gasificacin

Es un proceso termoqumico en el cual mediante varias reacciones qumicas, se logra obtener hidrgeno a partir de la biomasa y vapor de agua o aire, como resultado de estas reacciones qumicas se obtienen principalmente hidrgeno y

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monxido de carbono, pero tambin otros productos en cantidades menores como lo son el dixido de carbono, el metano y otros hidrocarburos, el principal impedimento en el proceso es el factor econmico, pues el consumo energtico involucrado es demasiado alto, lo que lleva su uso bsicamente a laboratorios. 1.2.7 Bio-fotlisis

Tambin conocido como foto disociacin biolgica del agua, este proceso trata de exponer micro algas o cianobacterias a la luz del sol, las cuales transforman el agua en hidrgeno y oxgeno, hoy en da no es muy viable este proceso, debido a su bajo ritmo de produccin, pero se est estudiando mucho acerca de este mtodo, por su gran potencial y bajo consumo energtico para la produccin del hidrgeno. Se est haciendo nfasis en encontrar un tipo de organismo adecuado para aumentar la eficiencia de la produccin de hidrgeno. 1.2.8 Fermentacin oscura

El aprovechamiento energtico de residuos por mtodos biolgicos, se suele vincular a la produccin de metano en procesos de digestin anaerobia. Sin embargo, existen procesos biolgicos, como la denominada fermentacin oscura, que permiten obtener hidrgeno en lugar de metano como subproducto final de la conversin anaerobia de la materia orgnica. Este proceso se logra gracias a microorganismos anaerobios (que no utilizan oxgeno) los cuales digieren los residuos para obtener energa qumica generando como producto hidrgeno. [13]. 1.3 Estado actual del diseo de electrolizadores

Un electrolizador es bsicamente un aparato en el cual se realiza la electrlisis, y de este modo se puede obtener hidrgeno, se compone de un nodo, un ctodo, una fuente de alimentacin y un electrolito, tal y como se muestra en la figura 5. Un flujo directo de corriente continua se aplica para que la electricidad fluya desde el terminal negativo de la fuente de corriente continua al ctodo, lugar en donde los electrones son consumidos por los iones de hidrgeno (protones) para formar hidrgeno, para mantener la carga elctrica en equilibrio los iones de hidrxido se transfieren a travs de la solucin electroltica al nodo, donde los electrones regresan a la terminal positiva de la fuente de corriente continua [14].

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Figura 5. Diagrama de un electrolizador

1.3.1 Materiales

Algunos aspectos importantes a tener en cuenta al momento de construir un electrolizador son los materiales en la construccin del nodo, ctodo, separador y la eficiencia del electrolizador. El nodo es el encargado de recolectar el oxgeno obtenido de la separacin del agua por lo que es el sitio donde se podra presentar corrosin, dificultando su trabajo y disminuyendo la eficiencia del sistema completo, debido a esto, los materiales para esta pieza son especiales, al igual que el mtodo de obtenerlos. La gama de materiales que se desarrollan como nodos es muy amplia, sin embargo es posible agruparlos en:

- xidos con diferentes caractersticas estructurales como espinelas, ferritas, entre otros.

- Aleaciones de nquel o cobalto. - Compuestos orgnicos metlicos. - Materiales aislados.

El nquel y el cobalto forman parte de una gran mayora de estos materiales y en muchos casos estos elementos son los mayoritarios en la composicin del material. La tcnica ms utilizada para la obtencin de estos materiales andicos es el tratamiento trmico. El separador es el encargado de aislar el nodo del ctodo, usualmente construido a base de asbesto que sigue siendo el componente principal, combinado con otro material como nquel, para mejorar las propiedades mecnicas o el titanato de

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potasio que mejora las propiedades como intercambiador inico, al igual que el cido poliantimnico y el xido de circonio. Tambin se han propuesto otros materiales ms novedosos como una placa de metal poroso o una malla de nquel recubierta con cermica que permita el paso del hidrgeno, pero no el de las burbujas de los gases con un dimetro mayor. El ctodo, otra parte de este sistema tambin debe ir construido de materiales especiales para disminuir el sobrepotencial que se presenta al reaccionar con el hidrgeno

.

Existen muy diversos materiales que se estn desarrollando como ctodos, pero en su mayora, el nquel y el cobalto son elementos presentes en su constitucin y en muchos casos son componentes principales de estos materiales.

Para la obtencin de estos materiales se utilizan distintas tcnicas, complejas, de difcil o fcil alcance. Se observa que la electrolisis es una tcnica bastante utilizada en la produccin de estos materiales, por lo que esta tcnica se vislumbra a escala industrial con grandes perspectivas para lograr la produccin de estos materiales [15]. 1.3.2 Eficiencia

La eficiencia es un factor importante en el desarrollo de un electrolizador, el aumento de esta eficiencia depende de dos factores, primero, una disminucin del voltaje de la celda, que es el mayor costo de la produccin de hidrgeno, y segundo, un aumento en la densidad de la corriente por encima de los valores normalmente usados en los electrolizadores comunes, pero estas dos opciones se contraponen, ya que por ejemplo, para un aumento de la densidad de la corriente, necesariamente debe existir un aumento en el voltaje del sistema, por lo que se debe entrar a encontrar un punto de mejor operacin en donde el electrolizador trabaje de la mejor manera posible. Para esto se debe tener en cuenta que el potencial elctrico debe ser mayor al potencial termodinmico, para que el proceso ocurra, este potencial se representa en la resistencia que el sistema interpone al paso de corriente elctrica, resistencia que se presenta debido a los electrodos, la solucin y el separador, esto significa que, para un mayor aumento de la eficiencia, debe reducirse el potencial aplicado al sistema, lo que se logra disminuyendo la resistencia de los componentes anteriormente sealados, esto se puede ver mejor en la siguiente ecuacin.

Eaplic = Et + c + a + soln + sep (1)

Ecuacin 1. Clculo de la eficiencia de un electrolizador

- Et: voltaje termodinmico o reversible de la celda que depende de la reaccin que ocurre en el electrodo.

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- c y a: sobrepotenciales catdico y andico y son proporcionales a la energa elctrica adicional necesaria para que ocurra el proceso de transferencia a una velocidad dada.

- soln: resistencia elctrica del electrolito o solucin, que depende adems de la geometra de los electrodos.

- sep: resistencia elctrica del diafragma o separador. - Para obtener un 100% de eficiencia, la suma de todos los no debe ser

mayor que 0,25 V [16]. 1.3.3 Clasificacin de los electrolizadores.

Debido a que existe gran variedad de electrolizadores, es posible clasificarlos de diferentes maneras, a continuacin se muestran las principales. 1.3.3.1 Clasificacin de los electrolizadores segn sus materiales de

diseo

Segn los materiales de diseo del electrolizador, estos se pueden clasificar en alcalinos y PEM (membrana de intercambio de protones).

Figura 6. Esquema simplificado de un electrolizador PEM

Los electrolizadores alcalinos son ms econmicos y duraderos, pueden trabajar con presiones de hasta 25 bares, los PEM son ms compactos que los alcalinos, pueden trabajar con presiones de varios cientos de bares, manejan densidades de corriente elevadas y su diseo aumenta la vida til de las membranas.

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1.3.3.2 Clasificacin de los electrolizadores segn la disposicin y forma de conexin de los electrodos.

Los electrolizadores tambin pueden clasificarse por la forma en cmo estn dispuestos los electrodos, ya que pueden presentar diferencias en su forma constructiva, a continuacin se describen los ms representativos. Los electrolizadores de clula tambin son llamados electrolizadores mono polares, cada clula que contiene el electrolizador contiene su respectivo ctodo y nodo, con el espacio necesario para el electrolito, separados por un diafragma que suele ser una bolsa que rodea el electrodo, por lo que dispone de doble diafragma, las clulas estn conectadas en paralelo en este tipo de electrolizador, el hidrgeno y el oxgeno se recogen en tanques o mdulos conectados a los espacios catdico y andico respectivamente. Los electrolizadores filtro-prensa tambin son llamados electrolizadores bipolares, los electrodos estn conectados en serie y funcionan como nodo por un lado y ctodo por el otro, posee un diafragma entre cada par de lminas, este tipo de electrolizador es ms eficiente en muchos aspectos respecto a los tipo clula, ocupa menos espacio para una misma capacidad, la pureza del hidrgeno es ligeramente ms alta y el rendimiento energtico es mayor, tambin su temperatura y presin de operacin suelen ser ms elevadas que en uno tipo clula, por estas razones son ms cotosos los tipo filtro-prensa [17]. 1.4 Seleccin del electrolizador

El electrolizador que se va a disear en este proyecto es el de membrana de intercambio de protones, ya que presenta ventajas como su alta eficiencia debido a las altas densidades de corriente que soporta, las elevadas presiones comparadas con las de los dems tipos de electrolizador pueden trabajar y su facilidad de construccin. El desarrollo de las membranas PEM est limitado debido a su alto costo de fabricacin, gracias al costo de los metales como el cobre incluido en los electrodos y la membrana de intercambio de protones. Estos electrodos cuestas alrededor de US$200/m3 de hidrgeno producido para una corriente de un amperio por centmetro cuadrado y US$200/m2 (para una membrana de Nafion). Estos son algunos de los limitantes, aunque se espera una reduccin en el costo de este tipo de membranas a unos US$50/m3 de hidrgeno producido a una corriente de 1 amperio por centmetro cuadrado. La electricidad necesaria para generar hidrgeno por medio de un electrolizador PEM llega a representar el 70% del costo de produccin de este producto. Adems, su vida til es en general de unos 5 aos, por lo que avanzar en estos dos puntos

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puede generar una reduccin importante al momento de pensar en la produccin en masa. Debido a todo esto, es ms comn ver este tipo de electrolizadores produciendo pequeas cantidades de hidrgeno, ideal para un laboratorio. La actividad de una composicin con 40-50% de dixido de Rutenio (RuO2) es comparable a la actividad del dixido de Iridio (IrO2) puro y los parmetros de rendimiento de la electrolisis con RuO2 (30%) IrO2 (32%) y dixido de Estao (SnO2) (38%) para un nodo electrocatalizador con una cara de platino de 0,8 mg/cm2 es muy similar a los parmetros de rendimiento de la electrolisis con un nodo electrolizado con iridio en una concentracin de 2 a 2,4 mg/cm2.Experimentos realizados por el Instituto Kurchatov demostraron tambin que los electrolizadores PEM con catalizadores de Paladio en el ctodo dieron como resultados: Consumo de energa 3,9-4,1 kW-h/m3 de hidrgeno a 1 amperio por centmetro cuadrado, voltaje de celda 1,68 V a 1,72V, temperatura 90 C, pureza de hidrgeno ms de 99,98%, presin de trabajo hasta 30 bar, carga de metales nobles es de 0,3-1,0 mg/cm2 en el ctodo y el nodo en 1,5-2 ,0 mg/cm2, tiempo de operacin hasta 10000 horas. Sin embargo, debido al alto costo que puede tener este tipo de materiales, se opt por electrodos de cobre, que gracias a sus propiedades fsicas, como su alta conductividad y su resistencia a altas temperaturas lo hace un material idneo para este proyecto. El desarrollo de electrolizadores que operan a una presin de hasta 30 bares ha generado gran inters, investigaciones compararon las caractersticas volti-ampricas en electrolizadores a esta presin y a presin atmosfrica encontrando resultados como la reduccin de la sobretensin en el nodo, adems, para una corriente de funcionamiento de 2 A/cm2 el voltaje de la electrolisis disminuyo entre 70 a 80 mV adems de esto el aumento de presin permite un aumento de la temperatura hasta por encima de los 120 C; presentando una reduccin de la resistencia en la membrana. Para una presin de 25 bares y una corriente de 1 A/cm2, la tensin de la celda fue de 1,65 voltios, tambin se demostr con la investigacin realizada por el Instituto Kurchatov que la burbuja de gas generada durante la electrolisis se reduce, mejorando el contacto entre la capa cataltica y el colector de corriente adems de que aumenta la facilidad para transportar el hidrgeno producido [18]. En la siguiente figura se muestra el esquema general de un electrolizador PEM.

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Figura 7. Estructura de un electrolizador PEM.

Entre los diferentes tipos de electrolizadores, los PEM son los que ofrecen mejores eficiencias, adems de la ventaja de poder obtener los gases (hidrgeno y oxgeno) comprimidos directamente del electrolizador, como ya se ha mencionado anteriormente su gran desventaja es el costo, por este motivo su comercializacin ha sido en muy baja escala y se han utilizado principalmente para aplicaciones de laboratorio. En cuanto al diseo, factores como la geometra del electrolizador tiene mucha influencia, se encuentran electrolizadores cuadrados rectangulares y circulares, siendo estos ltimos los mejores en cuanto al manejo de presiones, adems de que ayuda a controlar la acumulacin de gases, como la que se presenta en los vrtices del electrolizador en el caso de los de forma geomtrica cuadrada o rectangular. Se han realizado algunos experimentos con electrolizadores PEM en los cuales se observ que con el aumento de presin en el electrolizador no hay una gran variacin en el rendimiento electroqumico, sin embargo en la eficiencia elctrica si se obtuvieron cambios importantes, debido a la disminucin de la resistencia hmica, la cual en una conexin en serie disminuy de 1,7 a 0,7 cm2, por lo tanto se requiere menos consumo de energa elctrica y esto eleva la eficiencia del electrolizador [19]. Para la construccin del electrolizador se necesita seleccionar empaques de sellado para los gases obtenidos del proceso, electrodos, materiales y geometra adecuados para el nodo y el ctodo, el respectivo catalizador que requiere la

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membrana de intercambio de protones, as como parmetros de funcionamiento tales como presin y temperatura con las cuales va a trabajar el sistema. El electrolito a utilizar en este electrolizador ser una membrana de intercambio de protones (PEM) de nafion, que es un derivado del tefln y que tiene la estructura mostrada en la figura 8: Figura 8. Estructura del nafion

Fuente Dynamic modeling and simulation of a proton exchange, membrane electrolyzer for hydrogen

production, departamento de ingeniera qumica, instituto hind de tecnologa Delhi, Nueva Delhi, India y escuela de ingeniera qumica y materiales avanzados, Universidad de Newcastle upon Tyne, Newcastle.

Este material es muy utilizado en estas aplicaciones debido a su gran estabilidad qumica y trmica, los poros que este material posee permite el paso de los protones, mas no de los electrones, quienes deben viajar por un circuito externo y encontrarse con los protones para formar hidrgeno al otro lado de la membrana. Para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo, la membrana debe mantenerse humedecida siempre, ya que esta absorbe el agua y debido a su estructura qumica no permite el paso de los iones negativos, mientras que los iones positivos pueden cruzar llevando la carga positiva del nodo al ctodo. Por lo que la conductividad inica del nafion aumenta a medida que lo hace la humedad relativa, mas no con el incremento de temperatura, ya que a temperaturas superiores a 80C o 90C no es capaz de retener agua, por lo que este valor se vuelve un factor importante a la hora de disear electrolizadores PEM [20]. La parte encargada de distribuir de manera correcta los gases sobre los electrodos se llama difusor de gas, y su objetivo principal es que el gas entre en contacto con toda la superficie de estos optimizando al mximo el proceso, estn hechas de una tela de grafito porosa. Otra parte esencial en la construccin son las placas bipolares, las cuales tienen como tarea distribuir correctamente el agua sobre los difusores de gas, deben ser construidas de un material ligero, fuerte, conductor de electrones e impermeable al gas. Entre los materiales estn el grafito y distintos metales, pero la mayor

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dificultad es el mecanizado de estas piezas, ya que no se pueden permitir fugas de hidrgeno, tarea difcil ya que este gas es muy voltil, por lo tanto, se opta por el uso de empaques que mejoren la impermeabilidad del sistema. Estas placas tienen unos canales que distribuyen el agua sobre toda la superficie del difusor de gas y permiten recolectar el hidrgeno al otro extremo [21].

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Captulo 2 Diseo del electrolizador La corriente elctrica generada por la celda de combustible perteneciente al grupo de investigacin en gestin energtica (Genergtica) de la Facultad de Ingeniera Mecnica de la Universidad Tecnolgica de Pereira es el valor inicial de entrada para el diseo del sistema de generacin de hidrgeno por electrolisis, ya que partiendo de este dato se escoge el rea de la membrana de intercambio de protones, y adems, se puede conocer el consumo de hidrgeno por parte de la celda para generar esta corriente y por ende, la demanda de agua del electrolizador. La manera como se calculan estos valores esta detallada ms adelante. Adems de la informacin de la celda de combustible y de la membrana de intercambio de protones, tambin es necesario conocer las propiedades tanto del hidrgeno como del agua. La informacin del hidrgeno y del agua necesaria para este clculo se muestra en la tabla 1.

Carga del electrn (e-) 1,60E-19

Nmero de Avogadro 6,02E+23

Corriente de 1 mol_H2/s (A/s) 192949,4

Constante de Fraday (C/mol) 96474,71

Po (kPa) 100

To (K) 273,15

Capacidad membrana nafion (A/cm2) 1

Peso molecular_H2 (g/mol) 2,01

N de moles de H2 1

Peso molecular_H2O (g/mol) 18,01

Tabla 1. Informacin del hidrgeno y el agua

La informacin contenida en la tabla 1 se explica a continuacin.: Nmero de Avogadro: es la cantidad de molculas contenidas en un mol de cualquier sustancia. Constante de Fraday: cantidad de carga elctrica en un mol de electrones. Po y To: Presin y temperatura normales a las que se debe medir el volumen del gas.

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Capacidad de la membrana: cantidad de hidrgeno que debe pasar por un centmetro cuadrado de Nafion para producir un amperio de corriente. Actualmente la Universidad Tecnolgica de Pereira cuenta con una celda de combustible diseada y construida en el interior del grupo de investigacin Genergtica, la cual debe generar 50 amperios, debido a esto, se decidi construir este electrolizador, que debe generar el hidrgeno necesario para alimentar la celda. Corriente generada por la celda de combustible = 50 A Adems de conocer la corriente que se va a generar por la celda, tambin se debe saber que material se va a utilizar como membrana de intercambio de protones en el electrolizador. Para este caso se escogi el nafion, as que el paso siguiente es calcular el rea necesaria de esta membrana para cumplir con la corriente que se desea generar a partir del hidrgeno producido por el electrolizador.

[ ]

[

] [ ] (2)

En donde:

: rea de Nafion necesaria : Corriente generada por el hidrgeno producido : Capacidad de la membrana de nafion En adicin a esta rea de Nafion, tambin es necesario saber cunto hidrgeno se debe generar para cumplir con la corriente exigida.

(3)

En donde: : Hidrgeno generado

: Nmero de moles de H2 : Peso molecular del H2 : Corriente que genera un mol de hidrgeno por segundo Reemplazando cada uno de los valores en la ecuacin, se tiene:

[ ] [ ] [

]

[

]

[

]

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Para efectos de estandarizar este valor y para que sea fcilmente medido en cualquier lugar, esta cantidad se convierte a centmetros cbicos estndar (scm3)

[

] [

] [

]

[ ]

[ ] (4)

En donde:

: Hidrgeno generado : Constante de gas del hidrgeno

: Temperatura estndar : Presin estndar Reemplazando los valores correspondientes se tiene:

[

] [

]

[ ]

[ ] [

]

Ahora bien, el hidrgeno obtenido es proporcionado por el agua que ingresa al sistema, con la siguiente ecuacin, se puede conocer cul es el flujo msico de agua que es requerido por el electrolizador

[

]

(5)

En donde: : Consumo de agua

: Nmero de moles de agua

: Peso molecular del agua

Reemplazando se tiene:

[ ] [ ] [

]

[

]

[

]

Conociendo la corriente exigida, el rea de Nafion, el flujo de masa, el caudal de hidrgeno y el consumo de agua, es posible pasar al diseo del generador de hidrgeno por electrlisis. Este diseo se realiza basado en todos los clculos anteriores y con ayuda del software SolidWorks. A continuacin se expone un resumen de lo que se encuentra en cada plano:

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Plano 1. ELECTROLIZADOR En este plano se muestra una imagen real del electrolizador terminado Plano 2. ENSAMBLE GENERAL

En este plano se ilustran todas las partes del electrolizador, desde la carcasa hasta la membrana de nafion.

Plano 3. ELECTRODO

En este plano se muestra el electrodo, por el cual pasa una carga elctrica, dependiendo de la polaridad de esta, el electrodo puede comportarse como ctodo o nodo, los cuales son los encargados de atraer los iones positivos y negativos del agua, separndola en oxgeno e hidrgeno.

Plano 4. CARCASA

La carcasa del electrolizador es el encargado, junto a los esprragos, de sostener el electrolizador y mantener cada pieza en su lugar.

Plano 5. ESPRRAGO

Como se mencion anteriormente, el esprrago es el encargado de mantener las dos partes de la carcasa unidas y alineadas.

Plano 6. PLACA BIPOLAR

Por medio de esta placa, el agua del electrolizador entra en contacto con el difusor de gas de una manera uniforme para as pasar a la membrana de intercambio de protones.

Plano 7. EMPAQUE

La tarea del empaque es mantener la hermeticidad del electrolizador entre la carcasa y el electrodo, evitando as que puedan presentarse fugas.

Plano 8. EMPAQUE ANILLO

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Este empaque, al igual que el anterior, tiene la tarea de evitar las posibles fugas que puedan presentarse en el electrolizador, pero en este caso es entre la placa bipolar y el difusor de gas.

Plano 9. MEMBRANA NAFION Y DIFUSOR DE GAS

Esta membrana es de gran importancia, ya que se encarga de permitir nicamente el paso de los iones positivos, asegurando as una separacin completa entre el oxgeno y el hidrgeno. El difusor de gas es el encargado de homogenizar la carga de agua, antes de que pase por la membrana de intercambio de protones, buscando que el rea de esta membrana trabaje en su totalidad.

Al final de este documento se encuentra anexo los planos constructivos del electrolizador.

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Captulo 3 Estado actual del almacenamiento de hidrgeno

El departamento de energa de estados unidos (DOE por sus iniciales en ingls) ha preparado un equipo lite para el desarrollo de distintos materiales de almacenamiento, conformado por cuatro premios nobel y siete cientficos de lite, debido a lo lejos que se encuentran los materiales y procesos actuales de alcanzar las metas respecto a costo y capacidad de la DOE, en la siguiente tabla se muestran.

Situacin de las tecnologas actuales y materiales para almacenamiento de hidrgeno, lo que indica que ninguno cumple el objetivo DOE

Objetivo Objetivo Hidruros Complejos de H2 68950 kPa 34475 kPa

2015 2010 qumicos hidruros

metlicos lquido gas gas

Capacidad de

2.7 1.5 1.0 0.6a 1.2 0.8 0.5

energa volumtrica

(kWh/L)

Capacidad de

3.0 2.0 1.4 0.8 a 1.7 1.6 1.9

energa gravimtrica

(kWh/kg)

Sistema de

9.0 6.0

porcentaje en peso

(Wt %)

Sistema de costos

2 4 8 b 16 6 18 15

(S/k Wh)

aProyeccin

bExcluidos los costos de regeneracin

Tabla 2. Estado de la tecnologa y materiales para el almacenamiento de hidrgeno.

Uno de los mtodos con el que se est intentando alcanzar expuestas en la tabla 2, es aumentando el rea de absorcin qumica de molculas de hidrgeno del sistema de almacenamiento, se cree que con esto se obtendra una mejora en la capacidad de almacenamiento del sistema. [22]

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3.1Tipos de almacenamiento

3.1.1 Almacenamiento como un gas comprimido en un tanque

Este tipo de almacenamiento es el ms sencillo y comn para una pequea cantidad de gas. En la tabla 3 se comparan dos sistemas de almacenamiento de hidrgeno presurizado. El primero es un cilindro estndar de aleacin de acero de 200 bar. El segundo es para ampliar la escala de almacenamiento de hidrgeno para el uso por ejemplo en un autobs. Estos tanques estn construidos con un forro de aluminio de 6 mm, alrededor del cual se envuelve un compuesto de fibra de aramida y resina epxica. Este material tiene una elevada ductilidad. La presin de rotura es de 1200 bar, aunque la presin mxima utilizada es 300 bar. El sistema de almacenamiento a gran escala es mucho ms eficiente. Sin embargo, esto es un poco engaoso. Estos tanques son de gran tamao pero son necesarios varios de ellos para alimentar un motor. En un experimento donde un bus utiliz hidrgeno para alimentar su motor de combustin interna, 13 de estos tanques fueron montados en el techo. La masa total de los tanques, ms la estructura que se utiliz para ensamblar los tanques al techo fue de 2550 kg o 196 kg por tanque. Esto hace que caiga la eficiencia de almacenamiento del sistema a un 1,6%, lo que significa que el 1,6% del peso total del sistema es hidrgeno, por lo que su eficiencia no es muy diferente de la del cilindro de acero. Otro punto a considerar es que en ambos sistemas se han ignorado el peso de las vlvulas de conexin, y de cualquier reduccin de presin o reguladores. Para el sistema del cilindro de acero de 2 litros, solo sera aadir aproximadamente 2,15 kg a la masa del sistema, y reducir la eficiencia de almacenamiento a 0,7%.

Tanque de 2 L de acero a 200 bar

Tanque de 147 L de acero a 300 bar

Masa del cilindro vaco 3 kg 100 kg

Masa del hidrgeno almacenado 0.036 kg 3.1 kg

Eficiencia de almacenamiento (% de masa de H2)

1.2 % 3.1 %

Energa especfica 0.47 kWh kg-1 1.2 kWh kg-1

Volumen del tanque 2.2 L (0.0022 m3) 220 L (0.0022 m3)

Masa de hidrgeno por litro 0.016 kg L-1 0.014 kg L-1

Tabla 3. Datos comparativos de dos cilindros que se utilizan para almacenar el hidrgeno a alta presin.

El primero es un cilindro de acero convencional y el segundo un tanque ms grande complejo para su uso en un autobs impulsado por hidrgeno. La razn de la baja masa de hidrgeno almacenado, incluso a tales presiones tan altas, es

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debido a su baja densidad. La densidad de gas hidrgeno a condiciones estndar de presin y temperatura es 0,084 kg/m3, en comparacin al aire, que es aproximadamente 1,2 kg/m3. Por lo general, menos del 2% de la masa del sistema de almacenamiento es en realidad hidrgeno. El hidrgeno a alta presin se utiliza principalmente en cantidades bastante pequeas y tiene que ser transportado con mucho cuidado, esto tiende a ser muy costoso debido a la depreciacin de los cilindros, la administracin y costo de las vlvulas reductoras de presin y as sucesivamente, por lo que el costo se aprecia alrededor de US$ 2,2/g, esto corresponde a cerca de US$125/kWh de electricidad a partir de una celda de combustible de la eficiencia del 45%. Esto es absurdamente caro en comparacin a la red elctrica, pero es considerablemente ms barato que el costo de la electricidad desde bateras y pilas [23]. La seleccin del metal que el recipiente de presin usa es de extremo cuidado, el hidrgeno es una molcula muy pequea, de alta velocidad, y por lo tanto es capaz de difundirse en materiales que son impermeables a otros gases. Esto se agrava por el hecho de que una pequea fraccin de molcula de gas de hidrgeno se puede disociar en la superficie del material, pudiendo afectar el rendimiento mecnico de los materiales, acumulndose en ampollas internas, agrietando la pared del tanque. En los metales carbonosos tales como el acero el hidrgeno puede reaccionar con el carbono formando burbujas atrapadas de metano (CH4). La presin del gas en los huecos internos puede generar una tensin interna lo suficientemente alta para generar fisuras, grietas, o una ampolla de acero. El fenmeno es bien conocido y se denomina fragilizacin por hidrgeno. Algunas aleaciones ricas en cromo y molibdeno Cr-Mo, se han encontrado que son resistentes a la fragilizacin por hidrgeno. Materiales compuestos reforzados con plsticos se utilizan tambin para tanques ms grandes, como se ha descrito anteriormente. Adems del problema de la gran diferencia de masa entre el sistema de almacenamiento y el hidrgeno almacenado, hay tambin problemas considerables de seguridad asociados con el almacenamiento de hidrgeno a alta presin. Una fuga del cilindro hara generar fuerzas muy grandes al momento que el gas es lanzado hacia fuera, pudiendo convertir estos tanques en torpedos generando grandes daos. Adems, esta fractura es comnmente acompaada de una autoignicin producida por la mezcla del hidrgeno y el aire, que dura hasta que el contenido del tanque se consuma por completo. No obstante, este mtodo es ampliamente utilizado y de forma segura, siempre que los problemas de seguridad, especialmente aquellos asociados con la alta presin, se eviten mediante el seguimiento de los procedimientos correctamente. Las principales ventajas de almacenamiento de hidrgeno como un gas comprimido son:

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Simplicidad. El tiempo de almacenamiento por tiempo indefinido. No hay lmites de pureza en el hidrgeno. Es el mtodo ms utilizado en lugares donde la demanda de hidrgeno es

variable y no tan alta. Tambin se utiliza para autobuses, tanto para las celdas de combustible como para los motores de combustin interna.

Es muy adecuado para almacenar el hidrgeno a partir de electrolizadores que se ejecutan en momentos de exceso suministro de electricidad [24].

3.1.2 Almacenamiento como un hidruro de metal

Un hidruro es un compuesto formado por hidrgeno y un elemento metlico, los hidruros son los mtodos de almacenamiento con mayor capacidad (6,5 tomos_H2/cm

3 para MgH2) para gas hidrgeno (0,99 tomos_H2/cm3) y para

hidrgeno lquido (4,2 tomos_H2/cm3), por lo que este tipo de almacenamiento se

convierte en el mtodo ms potencial para grandes cantidades de hidrgeno, sin embargo, el rendimiento del sistema en la carga y la descarga de hidrgeno depende de la transferencia de calor, hacindose necesario incluir como parte del diseo intercambiadores de calor para acelerar la absorcin y expulsin del hidrgeno, investigaciones mostraron que cuando el intercambiador se utiliza, los tiempos de carga y descarga se reducen considerablemente. Un modelo mostr que un buen diseo optimiza el proceso en un 80% en el tiempo de almacenamiento, equipando el intercambiador de calor con aletas y con un fluido de enfriamiento, adems se encontr que el uso de estas aletas tiene un impacto en la presin interna dentro del depsito cuando la demanda de hidrgeno se hace de manera peridica. El gran inconveniente de este sistema es que el tiempo de carga y descarga del hidrgeno en el metal puede mejorarse pero sus efectos son visibles en la parte superficial del material, cuando se profundiza en este el tiempo de absorcin se aumenta disminuyendo su rendimiento [25]. 3.1.3 Almacenamiento del hidrgeno en forma de un lquido criognico

Este tipo de almacenamiento tambin es llamado LH2 (hidrgeno lquido), en la actualidad es el mtodo utilizado para almacenar grandes cantidades de hidrgeno, consiste en enfra el hidrgeno hasta una temperatura aproximada de 22 K (-251 C), temperatura mucho menor de 123 K (150C) temperatura a partir de la cual una sustancia se denomina en estado criognico. Para almacenar el hidrgeno se utiliza un recipiente vaco, fuertemente reforzado, la presin en el depsito se mantiene normalmente por debajo de los 3 bar, pero se podran tener presiones mayores dependiendo de las caractersticas del tanque utilizado. El abastecimiento desde el depsito hacia el lugar requerido se realiza mediante

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evaporacin, el hidrgeno se va evaporando lentamente dentro del contenedor, cuando la evaporacin del hidrgeno supera la demanda se utilizan sistemas de ventilacin para asegurar que la presin en el tanque no suba demasiado, lo que podra ocasionar graves daos. Para problemas de sobrepresin tambin se suelen utilizar vlvulas que permiten el escape del hidrgeno a la atmsfera en pequeas cantidades, pero para sistemas demasiado grandes se pasa el hidrgeno por un quemador en el cual eventualmente es quemado como medida de seguridad para evitar incendios o explosiones. Antes de realizar el llenado del tanque con hidrgeno se debe asegurar que no haya aire en el sistema ni que haya posibles filtraciones, ya que se podra formar una mezcla explosiva lo que es altamente peligroso, para evitar esto el tanque se purga con nitrgeno previamente. Como ya se mencion este tipo de almacenamiento es utilizado para grandes cantidades, sin embargo se ha hecho una gran inversin en diseo y desarrollo de tanques para vehculos, aunque en este tipo de aplicaciones no se han utilizado las celdas de combustible como medio para la generacin de energa a partir del hidrgeno, si no que se ha invertido mucho en el desarrollo de motores de combustin interna para el hidrgeno, como es el caso de Bayerische Motoren Werke BMW, quien ha realizado algunas pruebas con este tipo de sistema, bajo condiciones de seguridad muy estrictas. El problema de utilizar este tipo de almacenamiento para abastecer una celda de combustible es que necesariamente el hidrgeno tendr que ser un gas al entrar a la celda, lo que podra implicar un calentamiento previo del mismo, lo que significa una disminucin en la eficiencia del sistema, pero se ha tratado de solucionar utilizando el mismo calor expulsado por la celda para realizar este precalentamiento con la ayuda de intercambiadores de calor. El principal problema con el hidrgeno criognico es que el proceso de licuefaccin tiene un alto consumo energtico ya que hay varias etapas involucradas en este proceso. Primero el gas es comprimido y en este estado se temperatura se baja hasta aproximadamente 78 K (-195C) utilizando nitrgeno lquido. Luego mediante una turbina se realiza un proceso de expansin lo cual se aprovecha para bajar an ms la temperatura del hidrgeno. Segn estudios realizados por un importante productor de hidrgeno en el mejor de los casos la energa utilizada para licuar el hidrgeno es de aproximadamente el 25% del poder calorfico del hidrgeno, y debido a los dems procesos que entran para poder obtener la energa y las eficiencias que se manejan en cada uno de estos, hace que este tipo de almacenamiento de hidrgeno sea muy ineficiente [26]. Hay otro tipo de problemas que se presentan con el almacenamiento criognico, como lo son el peligro con de congelacin, debido a que el hidrgeno criognico estar inevitablemente cerca de las personas el contacto con este o con cualquier tipo de superficie criognica, generara el congelamiento inmediato de la piel, lo

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cual sera extremadamente peligroso, por lo cual todo el sistema de tubos y dems que intervienen en el sistema deben estar muy bien aislados. Otro motivo por el cual se debe aislar es que el aire exterior al entrar en contacto con la superficie criognica se condensara, y si este aire lquido entra en contacto con algn tipo de combustible esto podra generar una explosin, adems de que el aire lquido es altamente inflamable. Sin embargo una clara ventaja de este tipo de almacenamiento respecto al almacenamiento en tanques a presin es que en caso de un fallo en el tanque el hidrgeno tendera a quedarse en el mismo lugar, lo que se podra aprovechar para evitar explosiones o incendios [27]. 3.1.4 Almacenamiento en nano fibras o nano tubos de carbono

Este tipo de almacenamiento consiste en utilizar nano fibras o nano tubos de carbono los cuales absorbern el hidrgeno, su principal ventaja es que el hidrgeno almacenado estaran en condiciones de presin y temperatura ambiente lo que podra ser una gran ventaja, sin embargo grandes discusiones se han dado acerca de la viabilidad de este tipo de almacenamiento ya que investigaciones y resultados experimentales realizados inicialmente sugeran que las nano fibras de grafito podan absorber un exceso del 67% de hidrgeno, lo que dara una impresionante eficiencia a este tipo de almacenamiento. Despus de la publicacin de estos resultados muchos grupos de investigacin se dedicaron a comprobar la veracidad de estos resultados pero no pudieron ni acercarse a los resultados esperados, los mejores resultados obtenidos en estos experimentos fue del 6,5% del peso total del sistema en hidrgeno. Investigaciones posteriores trataban de encontrar el porqu de los resultados iniciales y se lleg a la conclusin de que las nano fibras evaluadas en estos experimentos posean vapor de agua lo que habra alterado los resultados de las mediciones [28]. Con los porcentajes de peso de hidrgeno para un sistema alcanzados en la actualidad no es muy viable este tipo de almacenamiento, pues la produccin de las nano fibras de carbono no es muy econmica. El mtodo principal para la produccin de los nano tubos es a travs de arcos elctricos establecidos entre dos electrodos, pero tambin existen mtodos de alta tecnologa mediante los cuales se pueden producir, como lo son la ablacin por lser, y la deposicin de vapor qumico, pero el gran problema es el alto costo que conllevan estos mtodos. Las dimensiones de las nano fibras se encuentras entre 50 a 1000 nm de longitud y 1 a 5 nm de dimetro, las estructuras esenciales de estas nano fibras se encuentran en la siguiente figura.

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Figura 9. Representacin esquemtica de diferentes tipos de nano fibras de carbono: a) plaquetas grafticas, b) cintas de grafito, c) grafito en forma de espina de pescado, d) nano tubo de pared simple y e) nano tubo de mltiples paredes.

Fuente Research frontier on new materials and concepts for hydrogen storage, Shangzhao Shi,

Jiann-Yang Hwang, departamento de ciencia de materiales e ingeniera, Universidad Tecnolgica de Mchigan

Debido a las grandes variaciones arrojadas por los resultados experimentales en cuanto a la eficiencia de este tipo de almacenamiento de hidrgeno, hace incierta la viabilidad de este proceso, sin embargo hay que tener en cuenta que es un mtodo que se encuentra en pleno desarrollo [28].

3.2 Materiales para el almacenamiento del hidrgeno

Cleveland State University (Universidad Estatal de Cleveland) realiz estudios acerca de uno de los materiales que se est usando actualmente, es una aleacin nano-estructurada continua tridimensional de metal, se cree que su rea superficial aumentar bastante y por lo tanto la capacidad de absorcin, debido a su forma tridimensional, para este diseo se estn usando materiales porosos, como la zeolita. Tambin University of Missouri-Columbia Pacific North West National Laboratory (la Universidad de Missouri-Columbia, Laboratorio Nacional del Pacfico noreste) estuvo en una investigacin en busca de un nuevo material para el almacenamiento del hidrgeno, encontrando un clatrato como una posible solucin a este problema. Un clatrato es una sustancia qumica formada por una red de un determinado tipo de molcula, que atrapa y retiene a un segundo tipo diferente de molcula en su interior. En este caso el clatrato est formado de un cliz arenoso que en su estructura forma vacios en su interior, adems, no presenta reacciones con el hidrgeno, y solo requiere un leve cambio en la temperatura para que libere el hidrgeno, por lo que solo se necesita una pequea cantidad de energa.

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Captulo 4 Diseo el sub-sistema de almacenamiento de hidrgeno

Despus de investigar los principales mtodos de almacenamiento de hidrgeno en el captulo anterior, ahora se analizan las cualidades ms importantes de cada uno de estos mtodos y posteriormente se decidir el ms conveniente para el caso especfico del electrolizador diseado.

Para el almacenamiento como un gas comprimido en tanques se tiene que tener en cuenta que este mtodo normalmente es utilizado tanto para grandes como para pequeas cantidades de hidrgeno, pero hay factores muy importantes que se deben tener presentes para utilizar este mtodo, tales como el material del tanque que se utilizar, ya que el hidrgeno es una molcula de alta velocidad y un tamao demasiado pequeo por lo que es capaz de fundirse con una gran variedad de materiales diferentes que funcionan muy bien con otro tipo de gases, por este motivo se puede llegar a crear grietas, fisuras o ampollas en la superficie interna del tanque, fenmeno que como se mencion anteriormente es conocido como fragilizacin por hidrgeno.

El almacenamiento de hidrgeno como un hidruro de metal es un mtodo utilizado para grandes cantidades, un hidruro es un compuesto formado por hidrgeno y un elemento metlico, el rendimiento en este sistema est definido en gran parte por el tiempo de carga y descarga del hidrgeno el cual depende de la transferencia de calor, por este motivo se hace necesario incluir intercambiadores de calor al sistema con los cuales se logran reducir considerablemente los tiempos, pero esto tambin tiene su desventajas, pues al acelerar el proceso de carga y descarga del hidrgeno se producen daos en la superficie del material disminuyendo la eficiencia del proceso adems de los costos de los intercambiadores implementados.

El almacenamiento como un lquido criognico es el principal mtodo utilizado en la actualidad para grandes cantidades de hidrgeno, bsicamente consiste en enfriar el hidrgeno hasta una temperatura de 22 K (-251 C).

El almacenamiento mediante nano fibras de carbono tiene una gran ventaja respecto de los dems y es que el hidrgeno es almacenado en condiciones de presin y temperatura ambiente, sin embargo el poco porcentaje de exceso de hidrgeno que absorben las nano fibras, no sobrepasa el 6,5% en el peso total del sistema de almacenamiento, lo que hace que este mtodo no sea muy eficiente si tenemos en cuenta que la produccin de las nanofibras es muy costosa.

Despus de apreciar algunas de las principales ventajas y desventajas de los mtodos de almacenamiento de hidrgeno de inters para nuestro caso especfico, se puede concluir que en la actualidad no es muy viable el

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almacenamiento de hidrgeno, puesto que se aumenta mucho el costo de un posible uso del elemento como principal fuente de energa alternativa lo que lo hara poco competitivo en el mercado, lo recomendado sera un sistema en el cual el electrolizador o sistema de obtencin de hidrgeno est dispuesto para abastecer directamente la celda de combustible o motor de combustin interna.

Por este motivo se utiliza el electrolizador para alimentar directamente la celda de combustible ubicada en La Facultad de Ingeniera Mecnica.

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CONCLUSIONES

Actualmente existen varios mtodos por los cuales se puede obtener hidrgeno, mediante la energa elctrica, trmica, qumica y algunos mtodos bioqumicos entre otras, esta variedad de opciones se debe a la necesidad de encontrar una fuente de energa renovable que sea competitiva respecto de los combustibles a base de hidrocarburos.

La gran variedad de celdas de combustible permiten rangos de operacin amplios, de entre 0,1 W para las que funcionan con membrana de intercambio de protones, hasta 2MW para las celdas de combustible de xido slido.

Los electrolizadores PEM que usan metales como el platino y el paladio en sus electrodos y llevan la presin a treinta bares, permiten jornadas de hasta diez mil horas de trabajo continuo, adems, gracias a este aumento de presin, la resistencia hmica disminuye, aumentando la eficiencia elctrica.

La energa necesaria para extraer el hidrgeno de un litro de agua se obtiene en base a la energa de formacin del agua lquida, a partir del hidrgeno y oxgeno moleculares, que es de 285,8 kJ/mol. 18 gramos de agua forman un mol, as que en un litro hay 55,56 moles de agua. Por lo tanto la energa necesaria para disociar un litro de agua por electrolisis en sus componentes Oxgeno e Hidrgeno es: 15793,31 KJ, esta cantidad corresponde a 4,39 kWh Luego de la disociacin de dos moles de agua se obtienen dos moles de hidrgeno y un mol de oxgeno, por lo tanto de un litro de agua se obtienen 111,1 g H2.

Aunque las investigaciones avanzan cada vez ms rpido y llegan ms lejos en el campo de la generacin de hidrgeno, hoy no es posible suprimir completamente la dependencia que existe hacia los combustibles fsiles.

Para definir las dimensiones y el alcance que tendr el generador de hidrgeno, es necesario conocer la demanda de potencia y especialmente la corriente a la que funciona la celda de combustible que va a ser conectada a este sistema, pues a partir de esta informacin se determinan las dimensiones de la membrana de intercambio de protones, quien determina la capacidad del electrolizador.

La forma geomtrica del electrolizador influye es su funcionamiento, una forma de seccin transversal circular, ayuda a evitar la acumulacin de gases dentro del electrolizador, lo que alarga su vida til, adems

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disminuye posibles sobre presiones dentro de este y mejora la eficiencia del electrolizador debido al flujo uniforme de gas dentro de este.

En la actualidad no es muy viable el almacenamiento a baja escala de hidrgeno, esto se debe a las bajas eficiencias que se manejan en los sistemas actuales, por este motivo se est trabajando en el desarrollo de un sistema ms eficiente, para conseguir una disminucin en el costo del valor del hidrgeno, que lo haga ms competitivo respecto de los combustibles fsiles.

Existen gran variedad de sistemas de almacenamiento de hidrgeno, pero para el caso en el que se desee generar una cantidad pequea de gas (inferior a los 2 L) es ms viable disear un sistema de generacin de hidrgeno que funcione alimentando directamente a la celda de combustible.

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RECOMENDACIONES

La seleccin del material tanto de nodo como del ctodo son de vital importancia, ya que su vida til se puede ver afectada por el contacto con los gases generados en la electrlisis, se recomienda usar los materiales expuestos en este trabajo para su construccin.

Es recomendable disear el electrolizador con forma circular, ya que as se evitan cmulos de gas en los vrtices del sistema.

La electrlisis debe ser alimentada con corriente continua, mas no con corriente alterna, ya que los cambios de intensidad en este tipo de corriente puede volver inestable la reaccin con el Hidrgeno y oxgeno, gases altamente inflamables.

El almacenamiento es un sistema aun ineficiente, por lo que es recomendable usar el hidrgeno de manera directa desde el electrolizador para el caso de pequeas cantidades

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50

ANEXOS

Anexo 1.

Ficha tcnica Nafion

51

Anexo 2. Difusor de gas

52

Anexo 3.

53

Anexo 4.

54

Anexo 5.

ELABOR UTPFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:1.5

Juan David Velsquez PiedrahitaJohn Fredy Quiceno Castaeda

TTULO

ELECTROLIZADOR

B

B

10

11

SECCIN B-B

1

2

5

3

4

6

7

8

9

10 11

Tabla de piezasN. DE

ELEMENTO N. DE PIEZA DESCRIPCIN CANTIDAD1 Empaque anillo 22 Difusor de gas 23 Carcasa 24 Electrdo 25 Placa bipolar 26 Membrana 17 Empaque 28 esparrago 3

9 Racor y manguera 1

10 Tuerca 611 Arandela 6


TOLERANCIA

DIMENSIONESESCALA1:2

Juan David Velasquez PiedrahitaJohn Fredy Quiceno Castaeda

TITULO

ENSAMBLE GENERAL

R60

2x 3

2x 5

39.63

R3 R3

50

45

1/4 in

51.63

A

A

1.5

C

SECCIN A-A

1/4 in

12.1

DETALLE C ESCALA 1 : 1

6.3Ra

Tolerancias no especificadassegn ISO 2768-1 mk


TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2


TTULO

ELECTRODO

2x 1/2 in

3x 1/4 in

2x 3 A

A

B B

M 12x1,5

M6x1

R1

149.5

R1 R1

100

70

SECCIN A-A

6.3Ra

140

120

90

SECCIN B-B



TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2


TTULO

CARCASA

100

30 1/4 in UNC M 6



TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:1


TTULO

ESPRRAGO

120

3

R1.5 R0.5

5

50 80

A

A

1

2.5

120 90

SECCIN A-A

6.3Ra



TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2


TTULO

PLACA BIPOLAR

2x 3

120

100

A

A

2x 5

120 90

SECCIN A-A

6.3Ra



TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2


TTULO

EMPAQUE

B

B

80 100 120

3

SECCIN B-B ESCALA 1 : 1

6.3Ra



TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2

Juan David Velasquez PiedrahitaJohn Fredy Quiceno Castaeda

TTULO

EMPAQUE ANILLO

80 A

A

120

B

SECCIN A-A

DETALLE B ESCALA 5 : 1

Difusorde gas

capacatalizadora

Membrananafion


TOLERANCIA1

mmDIMENSIONESESCALA

1:2


TTULO

Difusor de gasMembrana nafion


diseÑo de un sistema de generaciÓn de...

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