Agradecimientos Desde hace tiempo ya uno de nosotros habíamos pensado en el hidrogeno como energía pero de manera muy vaga, cuando nos reunimos por primera vez con nuestro equipo decidimos hacer “algo mas” en este proyecto, aunque los primeros bocetos eran algo alocados y costosos. En las primera semanas fueron muchos los problemas a afrontar hasta llego el dia en que infortunadamente decidimos “dejar” nuestro proyecto en algo teorico por razones de costos, cosa que en nuestro estado actual no era viable. Fueron muchas las decisiones y las “jaladas de chuleta” que tuvimos para hacer este humilde proyecto. Aunque en parte hemos copiado cosas de algunas otras tesis y de libros hemos entendido que el futuro esta en esta tecnología pero que infortunadamente por el momento es costosa. Por todo ello y mucho mas queremos agradecer a todos y cada uno de los que conformamos este equipo , por todos los días que nos quedamos “después de la u” por esas veces que comíamos en la casa de alguien por “ahorrar comida y pasaje”. Queremos también agradecer a nuestro profesores Proyecto Terodinamica II Diseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
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Agradecimientos
Desde hace tiempo ya uno de nosotros habíamos pensado en el hidrogeno
como energía pero de manera muy vaga, cuando nos reunimos por primera vez
con nuestro equipo decidimos hacer “algo mas” en este proyecto, aunque los
primeros bocetos eran algo alocados y costosos. En las primera semanas
fueron muchos los problemas a afrontar hasta llego el dia en que
infortunadamente decidimos “dejar” nuestro proyecto en algo teorico por
razones de costos, cosa que en nuestro estado actual no era viable.
Fueron muchas las decisiones y las “jaladas de chuleta” que tuvimos para
hacer este humilde proyecto. Aunque en parte hemos copiado cosas de
algunas otras tesis y de libros hemos entendido que el futuro esta en esta
tecnología pero que infortunadamente por el momento es costosa.
Por todo ello y mucho mas queremos agradecer a todos y cada uno de los que
conformamos este equipo , por todos los días que nos quedamos “después de
la u” por esas veces que comíamos en la casa de alguien por “ahorrar comida y
pasaje”. Queremos también agradecer a nuestro profesores por alentarnos en
esos momentos difíciles de angustia y llevarnos por el camino correcto.
A nuestros compañeros que nos decían “pero si es barato” y nos alentaban a
seguir con este proyecto.
Por ultimo, aunque no menos importante, darle gracias a Dios por habernos
permitido llegar hasta aquí.
Muchas gracias a todos.
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Resumen
La situación energética actual se basa en un modelo insostenible desde los
puntos de vista económico y medioambiental. La tecnología de las pilas de
combustible ofrece la posibilidad de disponer de energía de manera eficiente,
limpia y abundante, ya que el hidrogeno que utilizan para funcionar se puede
obtener de numerosas fuentes. Aunque existen numerosos tipos distintos de
pilas, las de hidrogeno son las que ofrecen mejores características para su
utilización en aplicaciones portátiles y de automoción.
En este proyecto se han estudiado los fundamentos de funcionamiento de una
pila de combustible de membrana de intercambio de protones. Se trata de un
sistema que consume hidrogeno y oxígenos para generar electricidad, calor y
agua.
La aplicación de esta celda de combustible con fin practico va dirigida hacia el
sector de la automoción por eso en este proyecto se diseña un prototipo de GO
KART, un hibrido de batería y celda de combustible.
Aunque infortunadamente no se pudo tener el proyecto en un prototipo real por
los costes que demanda importar los materiales necesarios y la escasez de los
mismo el presente proyecto se realiza en carácter teorico.
AbstractProyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
The current energy situation is based on an unsustainable model from the point
of economically and environmentally. The technology of fuel cells offers the
possibility to have energy efficient, clean and abundant, since they use
hydrogen to run is available from numerous sources. Although there are many
different types of batteries, hydrogen are those that offer better features for use
in portable and automotive applications.
In this project we have studied the basics of operating a fuel cell proton
exchange membrane. It is a system that uses hydrogen and oxygen to generate
electricity, heat and water.
The application of this fuel cell so the practice is directed towards the
automotive sector in this project so designing a prototype of GO KART, a hybrid
battery and fuel cell.
Although unfortunately could not get the project in a real prototype for the costs
demanded by importing the necessary materials and the scarcity of this project
it is done in a theoretical one.
MOTIVACION Y OBJETIVOS
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Este proyecto se centra en el estudio del diseño de una pila de combustible de
membrana de intercambio de protones, comúnmente conocida como pila PEM
(de sus siglas en ingles Proton Exchange Membrane)
Aunque existen numerosos tipos de pilas de combustible, cada una con sus
ventajas, inconvenientes y aplicaciones portátiles y de automoción. Este tipo de
dispositivo es capaz de generar electricidad a partir de hidrogeno proveniente
de diversas fuentes y de oxigeno de la atmosfera, produciendo como residuo
únicamente calor y agua.
Para estudiar el funcionamiento de la pila PEM, se ha partido de las ecuaciones
que regulan su comportamiento, valido para pilas que funcionan por debajo de
los 100 ºC.
Este modelo se centra en el funcionamiento de la pila de combustible
propiamente dicha, pero es necesario mencionar que el funcionamiento de este
tipo de dispositivos requieren el apoyo de una serie de sistemas auxiliares
(humidificación, ventiladores, compresores, bombas, reguladores e inversores),
cuya complejidad harian necesario un modelado aparte de cada uno de ellos y
cuyo modelado no se ha contemplado en este trabajo.
El diseño del go kart ha sido adaptado para un funcionamiento conjunto con la
pila de combustible tomando planos de dominio publico y aplicándolos a
nuestro modelo.
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
Debido a la gran extensión y complejidad que supone el diseño del go-kart para
un uso practico algunos características del vehiculo han sido afectadas en
menor o mayor medida y han sido modeladas de la mejor forma para no omitir
términos.
Los factores y parámetros que intervienen en la celda de combustible están
relacionados entre si de una manera mas “real” de acuerdo a nuestro criterio
por la dificultad de su diseño y la explicación del mismo.
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PRIMERA PARTE
DESCRIPCION
Capitulo 1
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
INTRODUCCION
1.1 Interés del Hidrogeno como Vector Energético
No hará falta que transcurra muchos años para que nuestra generación y
las precedentes sean objeto de severas condenas por el colosal despilfarro
energético que han cometido en el último siglo, dedicando el petróleo a
combustible universal cuando de por si era materia propicia a convertirse
en centenares de productos más útiles y valiosos, que van desde los
plásticos hasta las parafinas, las esencias y tantas mas familias de
substancias provechosas. Huelga poner énfasis en el grandioso disparate
que es quemar petróleo cuando los resultados de hacerlo podrían
obtenerse de otras formas y procedimientos que no sean la mera
combustión de hidrocarburos.
Al hablar de desatinos no puede dejar de mencionarse otro similar y acaso
tan grave o mas que se esta cometiendo con el empleo abusivo de la
madera, devastando cada año miles y miles de kilómetros cuadrados de
bosques y selvas cuya significación para el equilibrio planetario no hace
falta subrayar. Se pudo ser tolerante con edades antiguas obligadas a talar
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]
arboles para procurarse leña y madera, pero cada dia podemos serlo
menos con el uso de estas para pasta de papel y para fabricar estructuras y
muebles que cabe obtener con otros materiales, algunos procedentes del
reciclado.
Se esta poniendo de manifiesto cada dia mas que los grandes beneficios
de ciertas empresas consisten a menudo en las sustracciones que
perpetran en el patrimonio común.
Sin duda, serán los contados países atrasados que disponen de grandes
pozos de petroleo y plutocráticas elites gobernantes quienes defenderán
que se siga usando este combustible hasta la ultima gota, formando coro a
veces con marcas automovilísticas y variadísimos intereses que se lucran
de que la economía actual del trasporte continue como ayer. La resistencia
de los restantes focos de contaminación ambiental, rebeldes a los acuerdos
de Kioto, testifica lo vigorosos y testarudos que son los sectores que
propugnan la continuidad empavida en los errores y abusos precedentes.
1.2 El hidrogeno como alternativa
Llegados a este punto y enfrentados a una situación energética que tocara
fondo dentro de no demasiado tiempo, se hace necesaria la búsqueda de
alternativas que permitan seguir disfrutando de la calidad de vida actual. El
sistema sostenible que cabria esperar se basara en las fuentes de energía
renovables, pero esta opción no se puede aplicar en todos los campos. En
automoción, por ejemplo, seria inviable utilizar paneles solares o
aerogeneradores como única fuente de energía de los vehículos.
Ante esta situación, el hidrogeno y las pilas de combustible se presentan
como una alternativa para la aplicación de transporte, hogares
autosuficientes, generación estacionaria de potencia y hasta misiones
espaciales.
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El hidrogeno se viene utilizando desde hace años en la industria química y
petroquímica; se utiliza para procesamiento y refinado de combustibles
fósiles, así como en la síntesis del amoniaco. También se utiliza en
aplicaciones tales como agente hidrogenante de alimentación, producción
de diversos ácidos, agente reductor de metales y como escudo de gas de
soldadura.
Desde el punto de vista de la ingeniería es interesante mencionar que se
utiliza como elemento refrigerante en generadores eléctricos (debido a su
elevada conductividad térmica), asi como investigación criogénica y
superconductividad; además, sus isotopos tienen un sinfín de aplicaciones.
1.3 Vector Energético
El atomo hidrogeno esta formado por un proton y un electron y en
condiciones normales se presenta como un gas estable en moléculas
diatómicas es incoloro, inodoro, insípido y no toxico.
Es el elemento mas abundante del universo y su capacidad de reaccionar
con el oxigeno liberando energía lo convierte en un excelente combustible.
Sin embargo, no se encuentra en estado puro en la tierra, y para obtenerlo
es necesario aplicar energía; por este motivo no se considera a este
elemento como una fuente de energía, sino que mas bien un vector
energético.
Entre las ventajas del hidrogeno cabe mencionar la nula producción de
emisiones de CO2 (solo se produce agua) y su elevada volatilidad, lo cual
lo convierte en un combustible muy seguro en espacios abiertos. Además
de su baja densidad, el hidrogeno tiene una baja energía de activación, es
decir: se necesita muy poca energía para que entre en combustión, lo que
en función de los objetivos que se persigan puede comenzar como ventaja:
si se quiere comenzar con una reacción de combustión; o como desventaja:
resulta mas fácil que se inicien combustiones no deseadas.
1.4 Generacion de Hidrogeno
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La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que
requieren la separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el
carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua).
El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fósiles
(habitualmente hidrocarburos) - compuestos de carbono e hidrógeno- por
medio de procesos químicos.
El hidrógeno también puede ser obtenido del agua por medio de producción
biológica en un biorreactor de algas, o usando electricidad (por electrólisis-
electrolisis del agua)- químicos (por reducción química) o calor (por
termólisis); estos métodos están menos desarrollados en comparación con
la generación de hidrógeno a partir de hidrocarburos pero su crecimiento
aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dióxido de carbono permiten
reducción la contaminación y el efecto invernadero. El descubrimiento y
desarrollo de métodos más baratos de producción masiva de hidrógeno
acelerara el establecimiento de la denominada economía de hidrógeno.
Capítulo 2
La pila de combustible de
Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]