DEMOSTRADOR DIDACTICO DEL CICLO SOLAR DEL HIDROGENO.

El demostrador didáctico del ciclo solar del hidrógeno, tiene como objetivo mostrar la utilidad del sistema electrolizador tipo PEM - pila de combustible en la generación y suministro de hidrógeno y oxígeno,

a partir de paneles fotovoltaicos, y su transformación en energía eléctrica. El demostrador ha sido diseñado para mostrar de manera clara y sencilla los procesos que tienen lugar en el sistema.

El demostrador consta de cinco partes fundamentales:

1. Paneles fotovoltaicos, 2. Electrolizador tipo PEM, 3. Pila de combustible, 4. Aplicación, 5. Indicadores digitales de tensión y corriente.

Los paneles fotovoltaicos ubicados en el tejado de una maqueta captan la luz solar y la transforman en corriente continua. Esta corriente es utilizada para producir la electrolisis del agua. El hidrógeno y el oxígeno generados son utilizados en la pila de combustible para generar energía eléctrica capaz de poner en funcionamiento una aplicación concreta, ventilador y/o iluminación. En los procesos en que se genera y consume energía son ubicados indicadores digitales de tensión y corriente

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200600525.

Solicitante: CONSEJO SUP. DE INVEST. CIENTIFICAS.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: VILLANUEVA MARTINEZ,EUGENIO, ROS TORRECILLAS,SALVADOR, GUINEA DIAZ,DOMINGO, RUBIO GONZALEZ,MIGUEL ANGEL, AGILA GALVEZ,WILTON-EDISON, GONZALEZ RODRIGUEZ,LEANDRO, SANCHEZ ENCINAL,JUAN MANUEL.

Fecha de Solicitud: 3 de Marzo de 2006.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 16 de Diciembre de 2009.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G09B23/18 SECCION G — FISICA.G09 ENSEÑANZA; CRIPTOGRAFIA; PRESENTACION; PUBLICIDAD; PRECINTOS.G09B MATERIAL EDUCATIVO O DE DEMOSTRACION; MEDIOS DE ENSEÑANZA O DE COMUNICACION DESTINADOS A LOS CIEGOS, SORDOS O MUDOS; MODELOS; PLANETARIOS; GLOBOS; MAPAS GEOGRAFICOS; DIAGRAMAS.G09B 23/00 Modelos para usos científicos, médicos o matemáticos, p. ej. dispositivos a escala real para la demostración (bajo forma de juguetes A63H). › para la electricidad o el magnetismo.
  • H01M8/00 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01M PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA QUIMICA EN ENERGIA ELECTRICA. › Pilas de combustible; Su fabricación.

Clasificación PCT:

  • G09B23/18 G09B 23/00 […] › para la electricidad o el magnetismo.
  • H01M8/00 H01M […] › Pilas de combustible; Su fabricación.
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DEMOSTRADOR DIDACTICO DEL CICLO SOLAR DEL HIDROGENO.

Fragmento de la descripción:

Demostrador didáctico del ciclo solar del hidrógeno.

Sector de la técnica

El demostrador didáctico de pilas de combustible y energías renovables se encuadra dentro del sector de la pedagogía, la energía y la química.

Estado de la técnica

Los fundamentos y características de funcionamiento de los componentes del demostrador didáctico, Paneles Fotovoltaicos, Electrolizador tipo PEM y Pila de Combustible de Membrana Polimérica de Intercambio Protónico han sido descritos en revistas científicas y patentes de forma independiente.

Paneles Fotovoltaicos. Las celdas fotovoltaicas (CF) de silicio están compuestas de una oblea delgada formada por una capa ultra-delgada de silicio dopado comúnmente con fósforo o arsénico (semiconductores de tipo N), sobre esta se encuentra una capa más espesa de silicio dopado con boro, aluminio o galio (semiconductor de tipo P). En la unión de los semiconductores P y N (unión P-N) se produce un campo eléctrico cercano a la superficie. Cuando la radiación electromagnética (rango del visible) alcanza la superficie de la CF, el campo eléctrico existente en la unión P-N, proporciona a los electrones de la capas de valencia de los átomos de silicio estimulados, el momento y la dirección necesaria para producir un flujo de corriente eléctrica. Esto solo ocurrirá cuando se cierre el circuito externo de la CF con una carga eléctrica.

    • Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Fundamentals of Semiconductors Physics and Materials Properties, Springer. ISBN 3540413235.
    • Sze, Simon M. (1981). Physics of Semiconductor Devices (2nd ed), John Wiley and Sons (WIE). ISBN 0471056618.
    • Turley, Jim (2002). The Essential Guide to Semiconductors, Prentice Hall PTR. ISBN 013046404X.

Electrolizador tipo PEM. La función del electrolizador es producir hidrógeno y oxígeno molecular, mediante la electrolisis del agua, utilizando para ello energía eléctrica. Las reacciones que tienen lugar en el sistema son las siguientes:

Ánodo 2H2O rightarrow 4H+ + O2 + 4e-

Cátodo 4H+ + 4e- rightarrow 2H2

Reacción Total 2H2O rightarrow 2H2 + O2

La descarga de los gases se produce a partir de un potencial mayor o igual a 1,48 V. La relación entre la carga y la cantidad de sustancia electrolizada de una especie viene dada por la ley de Faraday.

m = Q frac{Eq}{F}

donde:

m - masa de sustancia producida

F - constante de Faraday, 96485 Coulomb/mol e- (C/mol e-)

Eq - equivalente electroquímico

Q - cantidad de electricidad, Coulomb (C). La carga para una intensidad de corriente de I amperios durante t segundos viene dada por la expresión

Q = It

El electrolito utilizado en electrolizadores tipo PEM es una membrana polimérica sólida de intercambio protónico. Los electrodos son porosos y en el ánodo se utilizan mezclas de óxidos de metales como catalizador, en el cátodo se suele utilizar platino soportado sobre carbón de elevada superficie específica.

    • Solar Energy 78 (2005) 661-669, Frano Barbir
    • Journal of Power Sources 129 (2004) 229-237, Tsumo O, Yoshinori S.
    • Internacional Journal of Hydrogen (in press), S. A. Grigoriev, V.I. Porembsky, V.N. Fateev
    • Principios de Análisis Instrumental, 5ta edición Mc Graw Hill 2001, D.A. Skoog, F. J. Holler, T.A. Nieman

Pila de Combustible de Membrana Polimérica (PEMFC). La Pila de Combustible convierte la energía química contenida en el combustible (H2) y el oxidante (O2) en, energía eléctrica. Esta reacción es espontánea y en ella se produce corriente eléctrica, agua y se desprende cierta cantidad de calor.

Las reacciones que tiene lugar en los electrodos son las siguientes:

Ánodo H2 rightarrow 2H+ + 2e-

Cátodo frac{1}{2}O2 + 2e- + 2H+ rightarrow H2O

Reacción Total H2 + frac{1}{2}O2 rightarrow H2O

La temperatura óptima de funcionamiento de la pila es próxima a 70ºC y presiones iguales en ambos electrodos entre 1-2 bares.

El electrolito utilizado en la pila es una membrana polimérica sólida de intercambio protónico. En ambos electrodos porosos se utiliza como capa catalítica platino soportado sobre carbón de elevada superficie específica.

    • Fuel Cell System Explained, Wiley 2001, J. Larminie, A. Dicks
Fuel Cells 2001, 1(1), 5- 39 L. Carrette, K.A. Friedrich, U. Stimming

    Descripción de la invención

    Breve descripción

    En el sistema propuesto se presentan con fines didácticos los siguientes aspectos:

      - Producción eléctrica a partir de celdas fotovoltaicas
      - Producción de hidrógeno y oxígeno, vía electrolítica, a partir de la energía generada por las celdas fotovoltaicas
      - Utilización del hidrógeno y el oxígeno producidos, en la generación eléctrica mediante pilas de combustible de membrana polimérica
      - Empleo de esta energía en una aplicación práctica, movimiento de un motor eléctrico e iluminación
      - Visualización de la tensión y corriente de cada uno de los componentes mediante indicadores digitales.

    Dado el carácter didáctico de este sistema de demostración, todos los componentes que lo forman han sido diseñados para mostrar con claridad y transparencia los fenómenos que tienen lugar.

    Descripción detallada

    A raíz de la crisis energética del petróleo, el uso de fuentes de energías renovables se ha extendido en los últimos años. Con el objetivo de sensibilizar y divulgar la bondad de estos sistemas alternativos en nuestra sociedad, se precisa un en la realización de productos que cumplan estas tareas. En la actualidad no hay patentados sistemas didácticos integrados de nuevas energías. Para cubrir esta necesidad, se ha realizado un sistema divulgativo del ciclo solar del hidrógeno, y para tal fin se ha diseñado, fabricado y probado un demostrador didáctico que muestra el comportamiento conjunto de paneles fotovoltaicos, electrolizador, pila de combustible y aplicación.

    El demostrador didáctico del ciclo solar del hidrógeno de la invención, tiene como objetivo mostrar la utilidad del sistema electrolizador tipo pem - pila de combustible en la generación y suministro de hidrógeno y oxígeno, a partir de paneles fotovoltaicos, y su transformación en energía eléctrica. El demostrador ha sido diseñado para mostrar de manera clara y sencilla los procesos que tienen lugar en el sistema.

    Este demostrador didáctico permite la integración de energías renovables y no convencionales, y al mismo tiempo permite la visualización de alguno de los procesos que en él tiene lugar así como la visualización de algunas de las variables más significativas de los procesos mostrados. Los procesos visualizados y analizados son los siguientes:

      - Producción eléctrica a partir de celdas fotovoltaicas,
      - Producción de hidrógeno y oxígeno, vía electrolítica, a partir de la energía generada por las celdas fotovoltaicas,
      - Utilización del hidrógeno y el oxígeno producidos, en la generación eléctrica mediante pilas de combustible...

     


    Reivindicaciones:

    1. Sistema o demostrador didáctico del ciclo solar del hidrógeno caracterizado porque integra varias energías renovables y porque comprende un conjunto de paneles fotovoltaicos, un electrolizador, una pila de combustible, aplicación e indicadores digitales de tensión y corriente.


     

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