CALCULO DE CORRIENTE NECESARIA PARA PRODUCIR HIDROGENO
Pasos para determinar la cantidad de corriente necesaria para producir hidrogeno en un periodo de tiempo dado:
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Encontrar la cantidad de sustancia producida o consumida en moles.
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Escriba la ecuación para que la media reacción tenga lugar.
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Calcule el número de moles de electrones requeridos.
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Convierta los moles de electrones en coulombs de carga.
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Calcule la corriente requerida.
Ejemplo:
¿Qué corriente es requerida para producir 400.0 litros de gas hidrógeno, medidos a presión y temperatura normal, de la electrólisis del agua en 1 hora(3600 s)?
SOLUCIÓN
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Calcule el número de moles de H2. (Recuerde, a condiciones normales de presión y temperatura, 1 mol de cualquier gas ocupa 22.4 L.)
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Escriba la ecuación para la reacción media que se lleva a cabo:
El hidrógeno es producido durante la reducción del agua en el cátodo. La ecuación para la mitad de la reacción es:
4 e- + 4 H2O(l) ----> 2 H2(g) + 4 OH-(aq)
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Calcule el número de moles de electrones. De acuerdo a la estequiometría de la ecuación, 4 moles de electrones, e-, son requeridos para producir 2 moles de hidrógeno gas, o 2 moles de e-1s para cada uno de los moles de hidrógeno gas.
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Calculando:
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Convertir los moles de electrones en coulombs de carga.
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Calcule la corriente requerida.
I x 3600 s = 3,44x 106 Coulombs
I = 958 C/s = 958 amps.
Entonces, para producir 1 L de H2 se requiere de 2.4 amp
Procesos Unitarios en la pila de combustible
Dentro de un sistema de pila de combustible se encuentran procesos unitarios individuales que conviene explicarlos para entender mejor el funcionamiento de la pila. Las operaciones unitarias son los bloques de construcción individuales que ocurren dentro de un complejo proceso químico. En esta sección veremos los métodos de cálculo de ingeniería que se aplican a diversos procesos. Este enfoque proporcionará al lector una mejor comprensión de los bloques de construcción del sistema de energía de las celdas de combustible, así como de las interacciones entre las operaciones unitarias.
Un ejemplo es el cálculo de la salida de potencia deseada de una celda de combustible que permitirá determinar el requerimiento de flujo de combustible del procesador de combustible. Primero, examinamos el funcionamiento de la unidad de celda de combustible y luego examinamos el procesador de combustible y el acondicionador de potencia.
Cálculos de celdas de combustible
Ejemplo 1. Caudal de combustible para 1 amp. de corriente (derivación del factor de conversión).
¿Qué caudal de hidrógeno se requiere para generar 1,0 amperios de corriente en una celda de combustible?
Solución:
Por cada molécula de hidrógeno (H2) que reacciona dentro de una célula de combustible, dos electrones se liberan en el ánodo. Esto es fácil de ver en el PAFC y PEFC debido a la simplicidad de la reacción anódica (combustible), aunque la regla de dos electrones por molécula de hidrógeno diatómica (H2) es válida para todos los tipos de células de combustible. La solución requiere conocer la definición de un amperio (A) y una equivalencia de electrones.
Los moles de hidrógeno liberados para generar un amperio pueden calcularse directamente:
Una equivalencia de electrones es: 1 g mol de electrones o 6.022 x 10e23 electrones (número de Avagadro). Esta cantidad de electrones tiene la carga de 96 487 coulombs (C) (constante de Faraday). Así, la carga de un solo electrón es 1.602 x10e-19 C. Un (1) amperio de corriente se define como 1 °C/seg.
El resultado de este cálculo, 0,037605 kg de H2 por hora por kA (0,08291 libras de H2 por hora por kA), es un factor conveniente que se utiliza a menudo para determinar la cantidad de combustible que se debe proporcionar para suministrar una potencia de la celda de combustible deseada como se ilustra en el siguiente ejemplo.
Ejemplo 2. Caudal de combustible requerido para pila de combustible de 1 MW.
Una pila de celdas de combustible de 1,0 MW DC funciona con una tensión de célula de 700 mV en hidrógeno puro con una utilización de combustible, Uf, de 80 por ciento. a) ¿Cuánto hidrógeno se consumirá en lb/h?. b) ¿Cuál es el caudal de combustible requerido?. c) ¿Cuál es el caudal de aire requerido para una utilización del oxidante del 25%, Uox?
Solución:
a) La solución de este problema se simplificará asumiendo que las células de combustible individuales están dispuestas en paralelo. Es decir, el voltaje de una pila de combustible es el mismo que cada voltaje de celda individual, y la corriente de pila de celda de combustible es igual a la corriente de una celda individual multiplicada por el número de celdas.
Recordando que la potencia (P) es el producto de la tensión (V) y la corriente (I),
P = I x V
Sin embargo, la corriente a través de la pila de combustible puede ser calculada como:
La cantidad de hidrógeno consumido dentro de la pila de combustible es:
Observe que sin el supuesto simplificador de que las celdas de combustible estaban dispuestas en paralelo, el mismo flujo de masa de hidrógeno podría haberse calculado con unos pocos pasos adicionales. Por ejemplo, si la pila de combustible estaba compuesta de 500 células en serie, entonces el voltaje de la pila habría sido de 350 voltios [(500 células) (0,7 V / célula)] y la corriente de la pila habría sido de 2,858 kA/1429 kA/500 células]. Debido a que esta corriente de pila pasa a través de 500 células dispuestas en serie, el consumo de hidrógeno se calcula como
b) La utilización de combustible en una celda de combustible esta definida como:
Por lo tanto, el flujo de combustible requerido para generar 1 MWDC puede ser calculado como:
c) Para determinar el requerimiento de aire, primero observe que la razón estequiométrica de hidrógeno a oxígeno es 2 a 1 para el agua. Así, los moles de oxígeno requeridos para la reacción de la celda de combustible son determinados por:
Si se requiere utilizar 25%, entonces el aire alimentado debe contener cuatro veces el oxigeno consumido
Debido a que el aire contiene 21% de oxígeno por volumen, o % mol, el flujo másico de aire seco es
Así, el lector se puede encontrar más expeditivo y menos propenso a errores para prever la disposición paralela al calcular el requerimiento de flujo de masa de hidrógeno.
