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La Bateria Vieja Y Nueva Generacion
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La Bateria Vieja Y Nueva Generacion

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  • 1. La bateria La bateria, tiene la funcion de arrancar el motor, y el alternador tiene la funcion de reponerle la carga, y mantenerla operativa siempre;. dicho de otra manera, el alternador es el encargado de suplir corriente al vehiculo mientras el motor esta funcionando. Si usted se fija en los relojes que tiene en el tablero, o en las luces indicativas se dara cuenta, que al activar la llave de encendido una de las luces que se enciende es la luz de la bateria; la misma se apaga al arrancar el motor; lo cual indica que el sistema esta funcionando; pero; si al arrancar el motor la luz se mantiene encendida; esto indica que tiene un problema en el sistema de carga; no asuma de inmediato que la bateria no sirve. Primero debe descartar que el alternador este trabajando correctamente. Para que un alternador este trabajando correctamente, con capacidad para cargar la bateria debe soltar una carga encima de ,los 12.8 voltios y no mas de 14.5 en promedio, Los alternadores llevan un regulador de corriente para evitar una sobrecarga; si esto sucediera, se dañaria la bateria, y partes electricas, y/o componentes electronicos en el automovil. La bateria tiene un determinado numero de celdas, unidas por medio de barras metalicas, cada celda acumula algo mas de dos voltios. Las baterias para automoviles tienen 6 celdas, que unidas dan un total de 12 voltios. Cada celda, consta de dos juegos de placas, o electrodos inmersos en una solucion de agua y acido sulfurico llamado electrolito. Un juego de placas esta hecho de peroxido de plomo y el otro, de plomo poroso.
  • 2. Al funcionar la celda,el acido reacciona y convierte la energia quimica en energia electrica.En las placas de peroxido de plomo se genera carga positiva (+) y en las de plomo poroso carga negativa (-).La corriente electrica, que se mide en amperios circula por el sistema electrico desde un terminal de la bateria hasta el otro, activando el electrolito. Conforme continua la reaccion quimica, se forma sulfato de plomo en la superficie de ambos juegos de placas, y el acido sulfurico se diluye gradualmente.Cuando la superficie de ambos juegos de placas se cubre completamente con el sulfato de plomo, se descarga la bateria. Al recargarlo con una corriente electrica, las placas vuelven a su estado original, y el acido sulfurico se regenera. Con el tiempo, las baterias dejan de funcionar, y no se pueden recargar, debido a que las placas estan cubiertas, con una capa de sulfato, tan gruesa que la carga no pasa a traves de ellas; o bien las placas se desintegran; o hay fugas de corriente entre las placas de la celda, lo que puede provocar un cortocircuito. La energia electrica se almacena y se produce por dos placas metalicas sumergidas en una solucion quimica (electrolito) a mayor superficie de las placas se almacena mas energia Los separadores porosos no son conductores, y evitan cortocircuitos, cada grupo forma una celda con un voltaje algo superior a los 2 voltios. El voltaje de cada celda es el mismo sin importar su tamanio y el numero de placas. Para lograr voltajes mas altos las celdas se deben conectar en serie ( por ejemplo 6 celdas produciran 12 voltios)
  • 3. Para arrancar el motor, se necesita la maxima corriente de la bateria; en el corto periodo en que funciona el motor de arranque puede consumir hasta 400 amperes; debido a este alto consumo no se debe hacer funcionar el motor de arranque mas de 30 segundos continuos; debe dejarse un minuto de intervalo para reducir la posibilidad de una descarga total, de la bateria, o un sobrecalentamiento en las partes internas del motor de arranque. Un motor grande necesita, minimo una bateria de 400 Amperes para arrancar, y un motor pequenio solo necesita uno de 250 A Una de las fallas mas comunes en las baterias, sin importar si estas sean nuevas o usadas,es la siguiente: Cuando usted quiere activar el motor de arranque, solo escucha un chasquido y despues de intentarlo varias veces, el motor de arranque reacciona y da vueltas. Usted piensa que el motor de arranque no sirve y lo hace reparar o lo cambia por uno nuevo, pero se da cuenta que el problema persiste.[Tome nota que este problema, tambien lo puede estar originando, el cable principal de tierra demasiado usado] Pero; lo ultimo que se le puede ocurrir es que la bateria no sirve; es mas; si lo lleva a la refacionaria donde lo compro le diran que usted esta loco, porque la bateria esta en perfectas condiciones. En conclusion, si usted encuentra este tipo de falla en su vehiculo,intente con otra bateria; y si usted nota que con otra bateria desaparece el problema, agarre la bateria de su vehiculo; y aun siendo nueva haga que se la cambien Es dificil detectar esta falla en las baterias; debido a que cuando se activan desaparece el problema; que solo se presenta cuando el sulfato de plomo cubre la superficie de las placas. Tome nota de lo siguiente: Los circuitos electricos de un vehiculo, son algo complejos, cuando no se tiene nociones, o no se dedican minuciosamente al estudio de estos. Por eso; recuerde que la falla, de activar la llave de encendido varias veces, para que el motor de arranque funcione; la puede originar cualquier circuito flojo, involucrado en el funcionamiento del motor de arranque.
  • 4. Algunas veces, por la maniana, tratamos de encender el motor, pero nos damos con la sorpresa, que el motor de arranque o marcha no gira con la suficiente fuerza Le pasamos corriente de otro vehiculo; el motor arranca; nos vamos a trabajar, y regresamos por la noche, sin ningun problema; pero al dia siguiente, el problema se repite. Si le sucede esto, y ya comprobo que los postes [bornes, conectores] de la bateria se encuentran limpios; instale un medidor de voltaje a la bateria; y con el motor funcionando, encienda las luces del vehiculo Si al hacer esto,usted observa que el voltaje disminuye; quiere decir que el regulador de corriente del alternador esta en malas condiciones. La explicacion a lo mencionado en el parrafo anterior es esta: Sabemos que el regulador de corriente,tiene la funcion de mantener cargada la bateria; y suplir la corriente necesaria a los requerimientos del funcionamiento del vehiculo. Si usted enciende las luces, o cualquier accesorio del vehiculo, el regulador de corriente simplemente se autoajusta, para mantener la carga de la bateria en un 780. En otras palabras, un alternador genera mucho mas de 13 voltios; si los requerimientos del vehiculo son minimos, el regulador solo permitira el pase de corriente suficiente, para mantener cargada la bateria; pero si usted enciende las luces, el requerimiento es mayor, y mayor tendra que ser la corriente que deje pasar el regulador.De alli el nombre de estabilizador, con el que se le conoce a un regulador de corriente. Concluimos, el alternador no encendio ninguna luz en el tablero[testigo], debido, a que esta cargando por encima de los 13 voltios; pero el regulador, por alguna razon, no puede entregar la energia suficiente, requerida por el funcionamiento del vehiculo, dando como consecuencia que la corriente entregada sea compartida entre la bateria, accesorios; y luces. Esto dara como resultado que la corriente acumulada en la bateria, no sera suficiente para arrancar el vehiculo al dia siguiente.[recuerde que el regulador de corriente,puede estar instalado separado del alternador, el cambio de estos es sencillo; pero si viene integrado dentro del alternador, tendra que reconstruir o comprar un alternador completo]. Siempre, que trabaje en el sistema electrico del automovil, tome como base lo siguiente: Los motores actuales,trabajan a altas temperaturas; pero los avances en cuanto a insulacion o materiales aislantes que soportan el calor son relativos; por ello, no permita que el alambrado, corra pegado a partes calientes del motor. Igualmente; el cable principal que conecta "tierra" [-], desde la bateria hacia el motor; si lo ve muy usado,cambielo [recuerde- el cobre expuesto al aire se cubre de un polvo blanco llamado, carbonato basico [toxico]. El polvo blanco indica que el "cobre" en esa parte, esta quemado,y el cobre quemado no es buen conductor; si no toma en cuenta este detalle, se volvera loco buscando solucion a fallas, como el no funcionamiento del alternador, motor de arranque, candelas o
  • 5. tapones incandescentes, y componentes del sistema fuel injection. Es mejor cambiar el cable, cada vez que cambie de bateria, e instale un cable nuevo de grueso calibre, y en una parte del motor que no caliente demasiado. No es necesario remover totalmente el cable viejo, solo desconectelo y corte el extremo del terminal que conecta a la bateria, para evitar confusiones. No olvide conectar los alambres, que conectan tierra a la carroceria [ estos sirven para el buen funcionamiento de las luces, y otros componentes].
  • 6. Tecnología Una batería que se recarga en 10 segundos Una de las áreas en las que la técnica va muy por detrás de los deseos y aspiraciones de los usuarios es la de las baterías, pues a pesar de los avances que ha habido seguimos encontrándonos con que estas tienen tiempos muy largos de carga, su carga dura poco, son pesadas y su vida útil es breve. Sin embargo, un trabajo recién publicado habla de un material que podría revolucionar el funcionamiento de estas, permitiendo recargarlas en segundos: Lithium batteries charge ahead. El invento fue desarrollado por dos especialistas del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y sería comercializado dentro de dos años. Un equipo de científicos ha diseñado una batería de litio capaz de almacenar una mayor cantidad de energía que las existentes, y que puede recargarse en apenas diez segundos, un invento que podría revolucionar el mundo de la telefonía celular. Según publica la revista “Nature”, la nueva batería podría comenzar a comercializarse en dos años, según las estimaciones de los dos investigadores responsables del proyecto. El invento ha sido desarrollado por Byoungwoo Kang y Gerbrand Ceder, dos científicos del MIT, que se propusieron mejorar el rendimiento ofrecido por las baterías en la actualidad mediante un nuevo diseño de los canales encargados de transportar la energía de un lado a otro de la pila. Las baterías de litio ofrecen hoy en día un buen rendimiento energético, pero su punto débil es su bajo nivel de potencia en determinados momentos en los que, por cualquier motivo, se necesita una aportación extra.
  • 7. Tradicionalmente se ha asociado este hecho a la lentitud con la que circulan los iones y electrones del litio, el material más utilizado para hacer las baterías actuales. Por ello, los investigadores centraron sus esfuerzos en conseguir aumentar la velocidad de desplazamiento de los iones, para lo que desarrollaron la teoría de lo que pasa es que esos iones no consiguen salir del cátodo a menos que coincida que vayan correctamente encaminados a alguno de los huecos por los que pueden pasar, lo que sólo sucede al azar, y de ahí que el proceso de carga sea más lento de lo que teóricamente podría ser. Así que intentaron encontrar una forma de facilitarles el desplazamiento a los iones, lo que aparentemente han conseguido cubriendo el ánodo de una capa de cristal de fosfato de litio, un excelente conductor eléctrico. En estas condiciones, han conseguido cargar una batería prototipo en menos de 20 segundos en lugar de los seis minutos que necesitaban en una con un cátodo no tratado, lo que representa una relación de 18 a 1 en cuanto a la velocidad de carga. Además, han podido comprobar que en 50 ciclos de carga y descarga la batería prácticamente no perdía capacidad de almacenamiento. Una ventaja adicional al utilizar fosfato de hierro-litio es que las baterías no se calientan como las que están actualmente en el mercado, evitando así situaciones de peligro. Según Ceder, esto permitiría cargar una pequeña batería similar a la que se usa en los teléfonos móviles en apenas 10 o 20 segundos, lo que “podría tener muchísimas aplicaciones prácticas y podría llegar a cambiar nuestro estilo de vida”. Kang y Ceder utilizaron como base el compuesto LiFePO4, usado frecuentemente en la fabricación de baterías, y lo cubrieron con una mezcla de hierro, fósforo y oxígeno que tras ser calentado permite que los iones se desplacen con rapidez. Las baterías LiFePO4 Un nuevo tipo de baterías llamadas LiFePO4 reemplazará a las baterías que se utilizan
  • 8. en vehículos eléctricos, motocicletas, inversores, y todo tipo de aplicaciones en donde por lo general se utilizan baterías de gran tamaño. Estas baterías serán utilizadas por la empresa automotriz GM (General Motors) cuando saque al mercado su esperado vehículo eléctrico "Volt". Las ventajas de este tipo de baterías, cuyo nombre significa Lithium Iron Phosphate, son muchísimas, pero entre ellas: - Durante toda la vida de la batería, no hay que darle mantenimiento. - Mantienen todo su poder hasta el mismo momento de la descarga. Las baterías tradicionales por lo general fluctúan según se les agota su energía. Este tipo de baterías mantiene en el 100% de los casos todo su poder hasta el final de la carga. - Son bastante seguras, ya que no explotan ni se incendian con sobrecargas. - Entre 2000 y 3000 ciclos de carga durante sus 6 a 7 años de vida útil. - Contienen el doble de la capacidad de energía que baterías de plomo-acido del mismo tamaño. - Pueden dejarse a medio cargar por largos períodos de tiempo sin que se deteriore la batería. - Cuando se dejan sin uso, se descargan muy lentamente, por lo que se pueden volver a utilizar inmediatamente sin tener que recargarlas luego de largos periodos sin utilización. - Funcionan hasta a 60 grados Celsius (140 grados Fahrenheit) sin disminuir su rendimiento. - Se pueden instalar en cualquier posición (de frente, de lado, boca abajo, etc). - No contiene metales tóxicos. - Las vibraciones no le afectan, y por tanto no son frágiles como las baterías tradicionales. - En tan solo 15 minutos se pueden recargar al 90% de su poder.
  • 9. Tecnología SCiB: La superbatería que promete revolucionar la industria En marzo del 2008 estará disponible una batería que se recarga hasta el 90% de su capacidad en apenas cinco minutos. Planean utilizarla en vehículos electrónicos, lo que afectará de manera positiva al medioambiente. Toshiba anunció el lanzamiento comercial de SCiB (Super Charge ion Batteries), la batería recargable que representará un avance para los mercados de sistemas industriales, y que ofrece un ciclo de vida por más de 10 años, incluso bajo condiciones de carga constante y rápida. Para 2015, Toshiba tiene el objetivo de convertir esta batería de alto potencial en un producto principal de sus negocios de sistemas industriales y productos automotrices, con ventas de u$s884 millones. La primera SCiB será lanzada en marzo de 2008. Con dicha innovación, Toshiba ha progresado más allá del avance en tecnología de baterías de litio de recarga rápida de la anunciada en marzo de 2005. Para lograr las características sobresalientes de la SCiB, la compañía adoptó el nuevo material de electrodos negativos, los nuevos separadores, un nuevo electrolito y una nueva tecnología de manufactura. El resultado es una batería recargable confiable con un desempeño balanceado, que ofrece excelente seguridad, ciclo de vida duradero y capacidad de carga-descarga rápida. Toshiharu Watanabe, vicepresidente Corporativo de Toshiba y director General de la Compañía de Sistemas Industriales de Toshiba, señaló: “Es una batería en verdad innovadora. El excelente desempeño de la SCiB asegurará su aplicación exitosa en los mercados de sistemas industriales y vehículos electrónicos como una nueva solución de energía. En términos de impacto ambiental, la SCiB ofrece una larga vida que reducirá los desechos”. La SCiB está contenida en el Módulo Estándar SCiB de diez celdas SCiB de 4.2
  • 10. amperes-hora (Ah), alineadas en conexión serie, que maximizan las características de la batería con una función de sistema manejo (BMS) que monitorea el voltaje y la temperatura para proteger las celdas en caso de emergencia, y que balancea el estado de carga en cada celda. Además de las aplicaciones que incluyen bicicletas, motocicletas, vehículos automatizados, camionetas eléctricas y maquinaría de construcción energizados con baterías, que ya usan baterías recargables, la SCiB también es un candidato prometedor para fuentes de energía de emergencia, regeneración de energía eléctrica en sistemas de energía con viento y estabilización del suministro de energía eléctrica. También, se planea la aplicación en automóviles híbridos, con el objetivo de expandir en el futuro la aplicación a automóviles eléctricos, después de avanzar el desarrollo de una celda SCiB de alto desempeño. Principales características de la SCiB 1. Seguridad La SCiB adopta un nuevo material de electrodos negativos que ofrece una estabilidad térmica de alto nivel y un electrolito de un alto punto de inflamación, y tiene una estructura resistente a corto circuito interno y escape térmico. La posibilidad de ruptura o combustión es muy baja. 2. Ciclo de vida La pérdida de capacidad después de 3,000 ciclos de carga rápida es menos de 10%. La SCiB tiene un excelente ciclo de vida y es capaz de repetir el ciclo de carga-descarga por más de 5,000 veces. Lo anterior significa que la SCiB puede usarse de manera continua por más de 10 años con un ciclo de recarga-descarga diario. 3. Recarga rápida Las fabulosas características de seguridad de la SCiB permiten la recarga con una corriente hasta de 50 amperes (A), lo que permite que la celda SCiB y el Módulo Estándar SCiB se recarguen al 90% de su capacidad total en sólo cinco minutos. 4. Alta energía (capacidad práctica) La SCiB tiene un desempeño de entrada-salida equivalente al de un condensador eléctrico de capacidad de doble capa. Esta característica es adecuada para aplicaciones de alta energía. 5. Temperatura La SCiB opera bien en temperaturas extremas, con suficiente descarga a temperaturas hasta de -30º C. Esta característica también asegura la
  • 11. Energías alternativas Pilas de combustible: Energía para el futuro Las pilas de combustible o fuel cell convierten la energía química directamente en energía eléctrica y calor. En una pila de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) que opera con hidrógeno y oxígeno, el agua es el único producto obtenido. Las pilas de combustible potencialmente podrían reemplazar los convertidores de energía hoy en día contaminantes. Su naturaleza modular hace que sean adecuadas para pequeños censores en el intervalo de los mW, así como en grandes plantas de potencia, con capacidad de varios MW. La tecnología de pilas de combustible puede reducir la contaminación global considerablemente. Si el hidrógeno es producido mediante la electrólisis del agua, con energía eléctrica procedente de una fuente de energía alternativa, como por ejemplo, eólica o solar, las pilas de combustible pueden completar una cadena de energía sostenible, libre de contaminación. Las pilas de combustible y el hidrógeno jugarán un papel importante en el futuro del suministro y distribución de la energía. Fundamentos de una pila de combustible
  • 12. Una pila de combustible es un convertidor electroquímico de energía, que convierte la energía química en energía eléctrica, a través de dos reacciones electroquímicas separadas. En una pila de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) alimentada por hidrógeno, éste es oxidado a protones y electrones en el ánodo. Los protones migran a través de la membrana electrolito hacia el cátodo. Debido a las propiedades aislantes de la membrana, los electrones son forzados a circular hacia el cátodo, a través de un circuito eléctrico externo. En el cátodo, el oxígeno reacciona con los protones para producir agua, que es el único subproducto obtenido a partir de una PEMFC alimentada por hidrógeno, como muestra la siguiente figura. El hidrógeno es oxidado en el ánodo a protones: mientras el oxígeno es reducido en el cátodo: La reacción total en la celda es:
  • 13. A partir del hidrógeno y del oxígeno se obtiene electricidad, calor y agua. Otros tipos de pilas de combustible utilizan diferentes combustibles, electrolitos e iones para transferir la carga, pero el principio de funcionamiento es el mismo. La fuerza impulsora en una pila de combustible es su afinidad por una menor energía libre (química). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan espontáneamente formando agua mediante una reacción redox, la cual posee una energía libre menor que los reactantes (ver la siguiente figura) y es, por lo tanto, la situación de menor energía preferida por el sistema. Forzando a que esta oxidación y reducción tenga lugar en diferentes lados de un electrolito, la diferencia de energía química entre reactantes y productos puede ser convertida en energía eléctrica. El máximo voltaje operativo en una única celda es menor de 1V. Para tener una utilidad práctica muchas celdas deben operar conjuntamente. Esto se realiza conectando varias celdas en serie en lo que se llama un ”stack”. Variando el número y tamaño de las celdas, el sistema puede ser ajustado para cumplir los requerimientos exigidos por una aplicación concreta. Teoría Las pilas de combustible han llegado a ser interesantes, a causa de su bajo grado de contaminación y su elevada eficiencia teórica. Puesto que la energía química del combustible se convierte directamente en electricidad, las pilas de combustible no están sometidas a la eficiencia límite que impone el ciclo de Carnot, como los dispositivos de combustión y calor. Cuando la energía química es convertida en electricidad vía calor (mediante un proceso de combustión), la eficiencia máxima teórica está limitada por las temperaturas de operación:
  • 14. Para las pilas de combustible, la eficiencia teórica puede expresarse, entre otras muchas maneras, como la relación entre la energía química disponible (el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible, DG) y el calor de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible (el cambio de entalpía de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible, DH). Por encima de un largo intervalo de temperatura y potencia, las pilas de combustible tienen una eficiencia potencialmente mayor que la tecnología basada en el ciclo de Carnot (ver Fig. Siguiente). Los motores de combustión son adecuados para un funcionamiento estático, ya que poseen una pequeña área en el intervalo de máxima potencia. Fuera de este intervalo, la eficiencia decae considerablemente. Sin embargo, las pilas de combustible poseen una alta eficiencia en un amplio intervalo de temperatura y potencia, siendo de esta manera perfectas para ciclos de carga dinámicos. Una alta eficiencia a cargas muy pequeñas es especialmente apreciada. Para entender la diferencia entre estas dos tecnologías se puede considerar el caso de la conducción de un coche. Durante la conducción en carretera el motor de combustión
  • 15. opera en el intervalo de alta eficiencia, la parte derecha de la curva de color rojo. En ciudad, sin embargo, el automóvil para y arranca a menudo, lo que se corresponde con ir arriba y abajo en la parte izquierda de la curva de color rojo. Esto muestra lo mismo que el conocido hecho de que el tráfico en ciudad es más contaminante que el de carretera, debido a la baja eficiencia. Siguiendo con el mismo ejemplo, en el caso de una pila de combustible (curva de color verde) puede verse como ésta presenta su máxima eficiencia ya a una carga baja. Una pila de combustible operaría más favorablemente en ciudad, pero también de manera altamente eficiente bajo una carga constante. Las pilas de combustible no siempre y para todas las aplicaciones poseen una eficiencia mayor que los motores de combustión. Para grandes aplicaciones estacionarias, en las que se usan pilas de combustible de alta temperatura (MCFC y SOFC), una combinación de las dos tecnologías comporta una cooperación perfecta. El exceso de calor procedente de la pila de combustible es utilizado para alimentar una turbina y extraer más potencia eléctrica. Las pérdidas en una pila de combustible están relacionadas con la producción de potencia. Cuanto mayor es la potencia producida, mayores son las pérdidas. Esto puede verse al disminuir el voltaje desde su valor en circuito abierto con el aumento de corriente. Seguidamente se muestra una curva típica corriente-voltaje para una PEMFC alimentada por hidrógeno. Si no hubiera ninguna pérdida el voltaje de celda se mantendría en el valor teórico en circuito abierto, independientemente de la corriente que circulase por la celda. Este voltaje teórico (Erev) puede ser calculado a partir de la energía libre disponible, DG.
  • 16. donde DG es la energía libre de Gibbs, n es el número de electrones transferidos en la reacción electroquímica y F es la constante de (94685 C/mole). El Erev depende también de las condiciones de operación, tales como la temperatura, la presión y la concentración de los reactantes. La diferencia entre el voltaje de celda teórico y el de operación se conoce como sobrevoltaje y representa las pérdidas en la pila de combustible. La relación entre el voltaje teórico, Erev y el actual, Ecelda, constituye una manera más correcta de expresar la eficiencia de la pila de combustible. Las pérdidas en una pila de combustible pueden dividirse en el crossover del combustible y corrientes internas, pérdidas por activación, óhmicas y por transporte de masa. Las primeras resultan del flujo de combustible y corriente eléctrica en el electrolito. Éste sólo debe transportar iones, pero siempre excite cierto flujo de combustible y electrones. Las pérdidas por activación están causadas por la lentitud de las reacciones que tienen lugar en la superficie de los electrodos. Una porción del voltaje disminuye debido a la cinética de las reacciones electródicas. Esto puede verse en la parte izquierda de la curva corriente-voltaje mostrada anteriormente. Las pérdidas óhmicas se deben directamente a la resistencia por causa del flujo de iones en el electrolito, a los electrones a través de la celda y a las interconexiones. En esta región la caída de voltaje básicamente es proporcional a la densidad de corriente, y se denomina caída óhmica. Las pérdidas por transporte de masa son consecuencia de la disminución de la concentración de los reactantes en la superficie de los electrodos, debido a su consumo. A la máxima densidad de corriente (límite) la concentración de reactante en la superficie del electrodo es virtualmente cero; los reactantes son consumidos tan pronto como llegan al electrodo.
  • 17. Componentes La construcción de una pila de combustible en sí misma resulta simple, pues consta de muy pocas partes. Lo más importante son los electrodos y el electrolito. Además, se necesitan placas con canales de flujo para distribuir los reactantes homogéneamente por toda el área de la celda. La siguiente figura muestra los componentes de una pila de combustible de electrolito polimérico, PEMFC. A continuación se proporciona una descripción general de todos los componentes y sus propiedades: -Electrolito: El electrolito tiene tres funciones principales: conductor iónico, aislante electrónico y separador de los reactantes anódicos y catódicos. Los iones deben pasar a través de la membrana para mantener el equilibrio de cargas entre el ánodo y el cátodo. La especie iónica en concreto y su dirección varía según el tipo de pila de combustible. Como se ha descrito en los fundamentos, la idea básica de una pila de combustible es la separación de los reactantes y que las reacciones electroquímicas anódica y catódica
  • 18. tengan lugar separadamente. Cualquier flujo, corriente o reactantes a través del electrolito disminuirá las prestaciones de la celda. De aquí que estas propiedades tengan una gran influencia en la operación de la pila de combustible. -Electrodos: Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la superficie de los electrodos. El combustible es oxidado en el ánodo y el oxígeno es reducido en el cátodo. La combinación de una membrana y dos electrodos se conoce como conjunto electrodos/membrana o MEA (membrane electrode assembly). En el caso de pilas de combustible de baja temperatura se necesitan metales nobles para aumentar la velocidad de reacción. El platino es el catalizador más ampliamente utilizado, a veces en combinación con otros metales. Esto no es necesario a altas temperaturas, de modo que pueden utilizarse materiales y metales más baratos. -Capas difusoras de gas (GDL): Las GDLs sólo se usan en pilas de combustible de baja temperatura. Son las responsables de la distribución de los reactantes hacia la superficie del electrodo y de eliminar los productos de la reacción. Una cuestión importante es la eliminación del agua del cátodo, por ejemplo, en una PEMFC. Las GDLs son optimizadas cambiando sus propiedades hidrofóbicas. Puesto que se colocan entre los electrodos y los colectores de corriente deben ser eléctricamente conductoras. -Canales de flujo/placas bipolares: Las placas con canales de flujo aseguran la distribución del combustible y del oxidante por todo el área de la celda. Diferentes tipos de canales en forma de serpentín, paralelos e interdigitados se mecanizan en las placas por donde los gases, por ejemplo, hidrógeno y aire fluirán. Según el tipo de pila de combustible son de un material u otro. Por ejemplo, el grafito, acero inoxidable y plástico se utilizan para pilas de baja temperatura, mientras que los cerámicos se utilizan para las de alta temperatura. Además, pueden actuar como colectores de corriente. A continuación se muestra un ejemplo de una monocelda con canales de flujo para los reactantes en forma de serpentín. La membrana electrolito, junto con los electrodos y las capas difusoras se encuentran entre las placas de grafito. Para ser capaces de desarrollar sistemas que proporcionen una potencia elevada, se deben conectar varias celdas formando lo que se denomina un stack. En este caso las placas poseen canales a ambos lados y se denominan placas bipolares. Un esquema del funcionamiento de un stack se muestra más abajo. Hay tantos diseños de stacks como tipos de pilas de combustible y aplicaciones, dependiendo de las especificaciones (potencia de salida, calor, tamaño y geometría) Un ejemplo interesante es el de la pila de combustible de óxido sólido tubular de Siemens Westinghouse.
  • 19. Un sistema completo que incluye una pila de combustible consiste en algo más que el stack propiamente dicho. El depósito de combustible, bombas, ventiladores y una unidad de control es lo mínimo para que la pila de combustible pueda operar. Los más complicados son los sistemas estacionarios, pero incluso pequeñas aplicaciones pueden conducir a grandes desafíos en el desarrollo del sistema. Contrariamente a las baterías, el combustible se encuentra almacenado separadamente del convertidor de energía. La cantidad de combustible almacenada limita el tiempo de operación. El hidrógeno puede almacenarse en tanques presurizados, en hidruros metálicos o licuado. Los hidrocarburos pesados pueden también almacenarse y alimentados directamente a la celda o reformados a hidrógeno, dependiendo del tipo de pila de combustible o aplicación. En la mayor parte de los casos el oxidante o fuente de oxígeno es el aire de los alrededores. Bombas y ventiladores suministran a la pila de combustible el aire y el combustible desde el tanque. Para algunas pilas de combustible la humedad del electrolito es crucial de cara a la conductividad protónica y, por extensión, las prestaciones totales. Por consiguiente, es necesario utilizar un humidificador de gases para controlar la humedad en la celda y en la membrana. Aunque las pérdidas teóricas en una pila de combustible son bajas, durante su operación se producen cantidades considerables de calor. Si la eficiencia total del sistema es del 50%, se produce la misma cantidad de calor que de potencia eléctrica. Debido a esto es necesario un sistema de refrigeración, basado en agua o aire, para evitar un sobrecalentamiento. Todos los componentes mencionados más arriba deben ser controlados por una unidad al efecto que asegure una operación estable y una producción de energía fiable del sistema en su conjunto. Historia Los primeros experimentos más conocidos sobre pilas de combustible fueron realizados
  • 20. en 1842 por el físico y abogado inglés, Sir William R. Grove (1811-1896). Conectando un ánodo de hidrógeno y un cátodo de oxígeno produjo una corriente eléctrica con el montaje experimental mostrado en la derecha. Grove fue el primero que construyó una pila de combustible efectiva, pero fue un científico alemán, Christian Friedrich Schoenbein (1799-1868), quien descubrió el efecto generador de electricidad de las pilas de combustible. Ya en enero de 1839 informó sobre la corriente producida mediante la combinación del hidrógeno y del oxígeno. Grove estuvo trabajando al mismo tiempo sobre este fenómeno e intercambiaron ideas y desarrollos en los años sucesivos. Mientras que Schoenebein se centró más en la parte fundamental del descubrimiento, Grove fue el ingeniero. La primera pila de combustible presentada por Grove en 1844/1845 (ver la siguiente Fig.), consistía en 10 celdas conectadas en serie y se alimentaba con el hidrógeno procedente de la corrosión del cinc en ácido. Desgraciadamente, el desarrollo de la dinamo en 1866 por Werner von Siemens ensombreció el descubrimiento de este prometedor convertidor de energía. Wilhelm Ostwald (premio Nobel) dijo en 1884: “ La pila de combustible es una gran invención para la civilización, más que la máquina de vapor, y colocará pronto al generador siemens en los museos” En 1905 él y Nernst presentaron una teoría general sobre las pilas de combustible. Debido a la fácil accesibilidad y grandes cantidades de petróleo y a la invención del motor de combustión interna (Carl Friedrich Benz y Gottlieb Daimler), las pilas de combustible fueron olvidadas hasta mediados del siglo XX, hasta que fueron rescatadas con el programa espacial Apolo de los USA (años 1960). El 21 de agosto de 1965, el Géminis 5 fue la primera lanzadera espacial en usar una pila de combustible de membrana polimérica para reemplazar la batería. Debido a las mejores prestaciones de las pilas de combustible alcalinas, éstas fueron desarrolladas en las misiones Apolo y proporcionaron la potencia eléctrica en el primer viaje tripulado a la Luna en 1969. La primera crisis del petróleo en 1973 condujo al segundo renacimiento de las pilas de
  • 21. combustible, centrandose el interés en grandes plantas basadas en pilas de alta temperatura. El Profesor Karl Kordesch de la Universidad de Graz (Austria) fue uno de los pioneros en el campo de las pilas de combustible. Junto con sus colaboradores desarrolló en los años 1970 una motocicleta y un automóvil propulsado por una pila de combustible alcalina. Las últimas dos otras décadas la preocupación por la contaminación ambiental ha forzado a la sociedad mundial a buscar tecnologías energéticas limpias, de manera que las pilas de combustible han experimentado una mayor atención. El desarrollo de la pilas de combustible ha sido ralentizado por el temor que inspira el hidrógeno, gas extremadamente explosivo y peligroso. La mayor parte de estas creencias se basan en el conocido accidente del zeppelin “Hindenburg” en 1937, el cual se incendió y partió en Lakehurst (USA), muriendo 35 de los 97 pasajeros, en lo que se atribuyó a una explosión del hidrógeno. Sin embargo, la razón real del incendio fue debido a una pintura explosiva, combinación de aluminio y hierro. Muchos de los pasajeros murieron al saltar del dirigible, y no como consecuencia de las llamas. Contrariamente a la mayoría de otros compuestos, el hidrógeno es más ligero que el aire, de manera que cuando ocurre una fuga se dispersa rápidamente y no forma una mezcla explosiva. No es tóxico y es menos inflamable que la gasolina. La preocupación por la contaminación ambiental ha conducido a la búsqueda de alternativas energéticas limpias. Junto con otras energías renovables, tales como la fotovoltaica, la hidráulica y la eólica, las pilas de combustible han experimentado un interés creciente por parte de los gobiernos y de las industrias. Las emisiones de CO2 y su influencia en el calentamiento global han forzado a la industria del automóvil a buscar alternativas para reemplazar los motores de combustión interna. Cada año se gastan varios billones de dólares en investigación y desarrollo. Se han presentado prototipos para todos los tipos de aplicaciones, con objeto de demostrar su viabilidad tecnológica y económica. Si embargo, queda todavía mucho camino por recorrer antes de que sea posible una amplia introducción de las pilas de combustible en el mercado.
  • 22. Energías alternativas Así funciona una pila de combustible Una pila de combustible o Fuel Cell es un dispositivo electroquímico de conversión de energía. La pila de combustible convierte el hidrógeno y el oxígeno en agua, en esa transformación se genera electricidad. Mediante un proceso de combustión fría, convierte la energía química de un combustible en energía eléctrica útil, además de calor y agua pura, todo ello sin un proceso de combustión como paso intermedio. Estas pilas de combustible están formadas por dos electrodos separados por un electrolito, y generan electricidad siempre que se les provea de combustible y oxígeno. Pueden utilizar hidrógeno puro de forma directa, o cualquier combustible (gasolina, metanol, metano, hidrógeno, etanol, gas natural, gas licuado, etc.), que permita obtener gas rico en hidrógeno mediante un proceso interno de reformado. Otro dispositivo electroquímico con el que estamos más familiarizados es la batería. Una batería contiene dentro de sí misma, todos los elementos que necesita para producir la electricidad. Esto significa que cuando se agotan, tienes que recargarla o reemplazarla por otra. Con la pila de combustible, los elementos químicos fluyen constantemente dentro de la misma, por lo que nunca se agota. Siempre que se produzca ese flujo químico, se generará electricidad. El elemento principal es la célula de combustible. Hay diferentes tipos de células de combustible, según el proceso químico (electrolito) que utilicen para producir electricidad. Unas son más adecuadas para plantas generadoras, otras son más indicadas para aplicaciones portables o para ser utilizadas en los coches.
  • 23. La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane fuel cell o PEMFC) es una de las tecnologías más prometedoras. Veamos cómo funciona… Membrana de Intercambio de Protones El ánodo, borne negativo de la célula, cumple varias funciones. Por un lado conduce los electrones liberados por las moléculas de hidrógeno de forma que ese flujo pueda ser aprovechado por un circuito externo. Está repleto de pequeños canales que dispersan el gas de hidrógeno por toda la superficie del catalizador. El cátodo, borne positivo de la célula, también está repleto de pequeños canales para distribuir uniformemente el oxígeno en la superficie del catalizador. Conduce los electrones del circuito externo al interior de la célula, donde pueden recombinarse con los iones de hidrógeno y de oxígeno para producir agua. El electrolito es la membrana de intercambio de protones (PEM). Un material especialmente tratado para conducir únicamente los iones cargados positivamente. La membrana bloquea el paso de los electrones. El catalizador es un material especial que facilita la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno. Suele consistir de un papel carbón o tela fina impregnada de polvo de platino. El catalizador es áspero y poroso para ofrecer la máxima superficie de platino a las moléculas de oxígeno e hidrógeno. Funcionamiento El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo, recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el cátodo. Mientras tanto, en el lado del cátodo, se fuerza el paso del oxígeno al catalizador, lugar
  • 24. en el que se descompone en dos átomos. Cada uno de estos átomos posee una fuerte carga negativa que atrae a los dos iones de hidrógeno (H+) que atraviesan la membrana combinándose, cada uno de ellos, con un átomo de oxígeno y con los dos electrones que provenían del circuito externo, constituyendo una molécula de agua (H2O). Esta reacción en una sóla célula produce una tensión de 0.7 voltios. Para conseguir una tensión mayor, lo que se hace es combinar varias células formando una pila de células (pila de combustible). Las constantes innovaciones que se están realizando tanto en el diseño como en los materiales, permiten que, hoy en día, una pila del tamaño de una maleta pequeña pueda hacer funcionar un coche. Problemas con la Pila de Combustible Hasta aquí todo parece muy bonito, sin embargo, no todo es perfecto. Hemos visto que la célula de combustible necesita de un flujo constante de oxígeno e hidógeno para funcionar. El oxígeno requerido proviene del aire. De hecho, en una típica célula PEM, el aire exterior se inyecta directamente dentro del cátodo. Lamentablemente, el hidrógeno no está disponible tan fácilmente y se necesita consumir mucha energía para producirlo. El hidrógeno también presenta importantes limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, no hay surtidores de hidrógeno cerca de tu casa donde
  • 25. poder repostar. El hidrógeno es difícil de almacenar y de distribuir. Sería interesante poder usar un combustible en las pilas que fuera más fácil de conseguir. Esto es lo que realizan unos dispositivos denominados reformadores. Un reformador, convierte hidrocarburos o alcohol en hidrógeno que, a su vez, puede ser usado en la pila de combustible. Lamentablemente, los reformadores no son tampoco perfectos: producen calor y generan otros gases además del hidrógeno. Además, el hidrógeno generado no es del todo puro, con lo que la eficiencia desciende considerablemente. Algunos de los combustibles más adecuados para obtener hidrógeno son el gas natural y el metanol. Mucha gente dispone en sus casas de gas natural o bombonas de propano que se podrían utilizar para alimentar pilas de combustible en el hogar. El metanol, por otra parte, es un combustible líquido similar a la gasolina y puede ser utilizado en pilas de combustibles para los coches. Es fácil de transportar y de distribuir. Podría convertirse en el candidato ideal para hacer funcionar a los coches con pila de combustible. El primer automóvil a hidrógeno fabricado en serie El motor de este BMW de la Serie 7, con doce cilindros y propulsado con hidrógeno tiene una potencia de 150 kW, una aceleración de 0 a 100 km/h en 9,6 segundos, y alcanza una velocidad máxima de 226 km/h. Gracias a su tanque criogénico de 140 litros, tiene un alcance de 350 kilómetros. A ello se le suma una alimentación convencional a nafta, que - en virtud de la aún muy incompleta red de suministro con hidrógeno - permanece siempre a bordo. El motor sólo tiene una diferencia sustancial respecto de los convencionales: tiene válvulas inyectoras adicionales para el hidrógeno.
  • 26. Ventajas -Nula emisión de contaminantes. -Prestaciones equiparables a las de un automóvil convencional. -Consumo y mantenimiento inferior al de cualquier coche actual. Desventajas -Peso elevado de la pila de combustible, que se instala en los coches-prototipo. -Carencia de infraestructuras para el suministro de hidrógeno, metanol o gas natural. -Fiabilidad todavía por demostrar de diversos elementos. -Elevado costo, debido a la escasa producción de algunos componentes. Hoy, un coche con pila de combustible cuesta aproximadamente un 30% más que uno de gasolina o diesel con prestaciones similares. -La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o como fuente de energía alternativa. No obstante, estos prototipos todavía son demasiado pesados y costosos, porque las pilas de combustible resultan voluminosas, pesadas y caras. En Estados Unidos, los tres mayores fabricantes de automóviles desarrollan en cooperación con compañías especializadas, sus propios automóviles con sistema de pila de combustible. Otros combustibles alternativos El desarrollo del hidrógeno como candidato número uno a erigirse en combustible alternativo al petróleo ha relegado a segundo plano a los vehículos eléctricos, a los que no hay que dejar en el olvido, ya que ofrecen buenos resultados, especialmente en la lenta circulación urbana. Además, permiten la posibilidad de combinar el motor eléctrico con un pequeño propulsor de combustión interna que se utilizaría en carretera.
  • 27. El gas natural es un combustible que se utiliza desde hace más de cuarenta años, pero la dificultad de almacenaje y su escasa autonomía lo han relegado al transporte urbano. Otra posibilidad es la energía solar, pero la necesidad de grandes paneles a instalar en los vehículos la hace incompatible con la tendencia del mercado de producir coches cada vez más ligeros y rápidos. Otra alternativa la constituyen el etanol y el metanol, dos alcoholes que cuentan a su favor con muchos argumentos: son líquidos inflamables, incoloros y de poca toxicidad, poseen un alto octanaje y una gran solubilidad en gasolina y, además, el etanol es usado como aditivo que se añade a la gasolina para oxigenarla porque ayuda a una mejor y más limpia combustión. Lamentablemente, con la tecnología actual y los altos precios de su producción, estos carburantes resultan notablemente más caros que los convencionales, por lo que su futuro es poco halagüeño. Qué hacer para contaminar menos -Usemos el transporte público siempre que sea posible, porque contamina menos. Además, casi siempre sale más económico que el propio. -Usemos gasolina sin plomo. El plomo de los gases de escape perjudica el hígado, el cerebro y los riñones del ser humano, además de al efecto invernadero. -Usemos la bicicleta siempre que podamos. Es más ecológica, no contamina, resulta muy saludable porque nos obliga a hacer ejercicio físico y no hace ruidos. -Unos neumáticos correctamente inflados ahorran hasta un 5% en el consumo de gasolina. Ello significa menos gasto y menos contaminación. -Mantener el motor a punto evita el gasto inútil de combustible y reduce la emisión de gases. -Si cambiamos el aceite al coche, no tiremos el aceite usado al río, al mar ni al lavabo o inodoro: una lata de aceite provoca una mancha de 5 kilómetros de extensión y un sólo litro de aceite contamina un millón de litros de agua potable. -No quememos el aceite usado: la combustión de los 5 litros de aceite que lleva el carter puede contaminar la cantidad de aire que respira una persona en 3 años. En su
  • 28. combustión se producen dioxinas y furanos, venenosos y cancerígenos. -Conduzcamos a velocidad moderada. Manteniendo una velocidad constante de 90 -100 Km/h, el consumo de gasolina y la emisión de contaminantes serán menores que si conducimos más rápido. -No llevamos en el coche pesos innecesarios. Y mantengamos las ventanillas cerradas. Con ambas medidas, se consume menos carburante.
  • 29. Tecnología Sony presenta una micropila de combustible Sony presentó un prototipo de batería, basado en pilas de combustible, lo suficientemente pequeño como para caber en una mano, la Sony Hybrid Fuel Cell. El tamaño del sistema es de unos 50 × 30 mm, está realizado mediante la combinación de una pila de combustible, una minúscula bomba, una batería de polímeros de litio secundaria, y un circuito de control. La compañía exhibió los prototipos del sistema híbrido en la Small Fuel Cells 2008, que tuvo lugar del 30 de abril al 2 de mayo del presente año en Atlanta. Las pruebas resultan ser impresionantes, con sólo 10 ml de metanol, la pila de combustible puede mantener un teléfono móvil sintonizando televisión digital 1seg (Servicio de televisión digital japonés) durante 14 horas seguidas. Una autonomía que puede considerarse como tres veces superior a los prototipos presentados por la empresa nipona en 2005 y casi el doble que el presentado en 2006. La pila de combustible se combina con una simple batería de polímeros de litio, consiguiendo una potencia máxima de 3W, que se verá reducida a la cantidad de 1W cuando pase a producción, suficiente para suministrar energía a un dispositivo móvil. La unidad se compone de seis celdas y utiliza metanol con una pureza del 99%, un tipo
  • 30. de metanol (DMFC), que al tomar contacto con el agua y el dióxido de carbono produce una reacción que genera electricidad. El exceso de energía podría utilizarse para recargar la batería, todo controlado por el circuito de control. Sony Informó que cuando la carga eléctrica es débil, la energía es obtenida de la pila de combustible, y cuando la carga es alta, la energía se suministra tanto desde la unidad de pila de combustible como de la batería de polímeros de litio recargable. En cuanto a la durabilidad, Sony comentó que su rendimiento sólo se vio mermado un 5% después de un uso continuo de 900 horas. Además según la empresa, el circuito de control tiene funciones innecesarias para el producto, como una función de recopilación de datos, necesarios para las labores de investigación, pero irrelevantes para los modelos de producción, por lo tanto, el sistema puede ser más pequeño y eficiente. La tecnología presenta una interesante ventaja, como poder llevar energía a lugares sin distribución eléctrica, sin tener que pensar en cargar la batería como hacemos actualmente, basando su filosofía en el cambio de cartuchos, lo que tiene como lado negativo, el precio que puede tener este sistema de distribución. Sony tiene como objetivo montar estas pilas de combustibles en sus dispositivos móviles. Actualmente se trata de prototipos funcionales en los laboratorios de la empresa japonesa, pero están en fases de diseño conjunto con las divisiones de productos comerciales, y hablando de las diferentes divisiones y joint ventures de Sony, a quien le podría venir mejor que a Sony Ericsson una tecnología tan prometedora.

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