Universidad Nacional Autónoma De México.

Facultad de Química

Electroquímica

Prof. Martha Aguilar Martínez

“Temas para trabajo de Investigación”

Cortés Cortés Diego

Ramirez Castillo Nildre Abril

Serrano Vázquez Moisés

Fecha de entrega:

8/09/2014

Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y

eficiente vía electroquímica

Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía

química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo, puede generar

electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna

combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recarga, ya

que producirán energía en forma de electricidad y calor en tanto se les provea de

combustible. En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de

la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que operan es mediante una celda

electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un

electrólito. El oxígeno proveniente del aire pasa sobre un electrodo y el hidrógeno gas pasa

sobre el otro.

Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto,

el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos

migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará a través del

electrólito mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo

(carga). Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la

reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno gas para formar agua junto con

el hidrógeno oxidado. Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor

útil, por ejemplo, energía térmica. A diferencia de las máquinas de combustión cuya

eficiencia está regida por el ciclo de Carnot y limitada por la temperatura, la eficiencia

teórica de las celdas de combustible está dada por las leyes de Faraday, que relacionan

directamente la corriente producida en una reacción electroquímica con la cantidad de

material reactivo, es decir, con la cantidad de combustible. La mayor ventaja de las celdas

de combustible descansa realmente en el hecho de que no están limitadas por la

temperatura, lo cual les otorga el gran beneficio de alcanzar altas eficiencias.

Así, en teoría, cada molécula de hidrógeno gas producirá dos electrones libres y junto con

una átomo de oxígeno reducido se generará una molécula de agua. Tal reacción

electroquímica es exotérmica, por lo que además el calor desprendido puede ser utilizado

así aumentar la eficiencia de las celdas de combustible. Estas características de lograr alta

eficiencia durante la generación de electricidad y la ventaja de presentar cero emisiones

contaminantes cuando el combustible es hidrógeno hacen de las celdas de combustible los

mejores candidatos para la generación de energía eléctrica. Por otra parte, también ofrecen

la posibilidad de utilizar casi cualquier combustible que contenga hidrógeno, aunque

hidrocarburos como el gas natural, metanol, etanol, biogás y propano, así como el diesel y

la gasolina son los que mayor atención han recibido por razones de tipo práctico.

Maquinado Electroquímico

La implementación de nuevos procesos de manufactura en la industria obedece al

desarrollo de nuevas aleaciones metálicas con propiedades mecánicas mejoradas (e.g.

dureza y resistencia al impacto.). Si bien estas mejoras amplían sus aplicaciones, muchas

veces también disminuyen su maquinabilidad.

El maquinado electroquímico (ECM por sus siglas en inglés) es un proceso de manufactura

complejo que incluye fenómenos de transporte de masa, transferencia de calor y reacciones

electroquímicas. La principal ventaja del ECM es que permite dar forma a cualquier

aleación metálica sin importar las propiedades mecánicas de ésta [2]. El maquinado

consiste en la erosión de la pieza de trabajo de acuerdo a las leyes de Faraday. Una celda

electrolítica es creada al hacer pasar corriente eléctrica a través del circuito formado por la

herramienta (cátodo), la pieza de trabajo (ánodo) y un fluido electrolítico. La geometría

final es la imagen negativa aproximada de la herramienta utilizada .

Debido a lo anterior, por cada pieza que se desea fabricar, es necesario primero desarrollar

la herramienta correspondiente. Dicha herramienta se fabrica de acuerdo al resultado de

múltiples pruebas en busca de la geometría adecuada. Este proceso de diseño de la

herramienta deriva en una significativa inversión de tiempo y dinero.

Medida de ruido electroquímico para el estudio de procesos de corrosión de aleaciones metálicas

El ruido electroquímico (electro-chemical noise, EN) es una técnica que permite estimar la

velocidad y los mecanismos de corrosión de aleaciones metálicas mediante la medida y

análisis de las fluctuaciones de corriente y potencial. Su principal ventaja frente a otras

técnicas electroquímicas es que el proceso de medida no perturba externamente el sistema

corrosivo, por lo que el sistema se mantiene en el potencial natural de corrosión. Las dos

etapas necesarias para utilizar esta técnica son la medida y el análisis de las señales de ruido

electroquímico. En este artículo, se revisan exclusivamente los conceptos más importantes

de la etapa de medida, describiéndose la metodología necesaria para generar y registrar

señales de ruido electroquímico. Los parámetros de análisis de señales más empleados en la

bibliografía se describirán en otro artículo de revisión. En el presente trabajo se describen,

en primer lugar, los dispositivos experimentales utilizados habitualmente para medir

señales de EN. Posteriormente, se estudian las propiedades más importantes de las señales

de EN. Finalmente, se analizan las fuentes de ruido instrumental que pueden afectar a las

señales de ruido electroquímico del sistema corrosivo estudiado.

Técnicas de registro Si bien es posible efectuar medidas de EN con instrumental del tipo analógico, lo más común es realizar medidas en instrumentos digitales. Por tanto

hay un proceso de conversión del potencial o corriente real (fenómeno analógico y en tiempo continuo) a un registro de tiempos (digital y en tiempo discreto)3

Técnicas de registro

Dicho proceso introduce algunas limitaciones y errores:

– Límite de Nyquist

Mitad del período de muestreo Aliasing de altas frecuencias

– Ancho de banda

1/duración del muestreo

– Quantization

Acercamientos a la interpretación

Análisis del registro de tiempos

– Examen visual del registro de tiempos

Es un método efectivo para detectar transitorios específicos, como los generados en la iniciación del pit o en el rompimiento por corrosión por fatiga. La amplitud y forma de las oscilaciones puede indicar el tipo de proceso involucrado

– Análisis de transitorios

Las características de los transitorios pueden ser analizadas por

Procedimientos gráficos. Las curvas aproximadas de crecimiento o decaimiento pueden ser realizadas con mínimos cuadrados, o la duración del transitorio puede ser determinada por extrapolación

Interpretación

Tomamos en cuenta el orden en que son registrados los datos: estimación espectral

– Dicho método estima la potencia para las frecuencias presentes en la señal

– El espectro obtenido puede representarse tanto como gráficas densidad espectral potencia de (PSD, power spectral density, potencia por unidad de frecuencia) o como amplitud espectral por unidad de frecuencia contra frecuencia

Transformada de Fourier

MEM (maximum entropy method)

Estimación espectral: de función de auto correlación (ACF) a PSD (power spectral density)

– ACF: Es un indicador de la evolución del proceso y

por tanto un análisis dependiente de la secuencia

– Se define como el valor esperado del producto de

dos registros separados en el tiempo

Rx(t, s) = E(x[t]x[t+s])

– Para un proceso estrictamente estacionario, además de la esperanza de la variable (media) ser una constante, la auto correlación sólo depende de la distancia (tiempo) entre muestras – Se define como PSD a la transformada de Fourier de la función de auto correlación

Mesografía:

http://www.iie.org.mx/reno99/apli.pdf

http://www.mufm.fr/sites/mufm.univ-toulouse.fr/files/evenement/symposium/ponencias/ares_argelia_gomez.pdf

http://www.fing.edu.uy/iq/cursos/ipeq/teorico/2007/13-10i.pdf