¿Qué es una célula de combustible?
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En la sesión anterior pudiste ver un vídeo en el que se explicaba cómo funciona una célula de combustible. Vas a poder demostrar lo que has aprendido contestando el siguiente cuestionario. |
Dos elementos ligeros y el futuro del automóvil
El hidrógeno como fuente de energía
Preguntas de elección múltiple
Solución
Solución
Solución
Solución
Solución
Solución
Solución
Solución
Comparación con reacciones de combustión
A partir de los siguientes valores, calcula la energía específica (por gramo de combustible) de las siguientes reacciones:
2H2(g)+ O2(g) → 2H2O(l) ΔHo = −285.8 kJ/mol
C8H18(l) + 25/2O2(g) → 8CO2(g) + 9H2O(l) ΔHo = −5 430 kJ/mol
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔHo = −890.8 kJ/mol
Si haces clic aquí (edi - 2849 B) puedes descargar el problema en formato EDICO.
Comparación con otros procesos de oxidación-reducción
La capacidad de generar una cantidad de energía es una de las características principales de una batería y se puede expresar en función de las magnitudes que presentamos a continuación:
Capacidad de carga Q:
Proporciona la cantidad de electricidad que se puede almacenar y puede expresarse como:
\[Q = n\cdot z\cdot F\]
n = número de electrones trasferidos.
z = número de moles en este caso de electrones.
F = Constante de Faraday.
La unidad de Q es el culombio, o también amperio·hora, y depende de la cantidad del material activo utilizado, que caracteriza una batería en particular.
Capacidad de carga específica Qe:
Es la capacidad de una batería por unidad de masa (kg o g), en algún caso, o de volumen, en otro (L), dependiendo de la aplicación en la que se desee utilizar.
\[Q_e = \frac{Q}{m}\]
\[Q_e = \frac{Q}{V}\]
m = masa del material activo, expresado en kg o en g.
V = volumen del material activo, expresado en L.
La unidad de Qe es A·h/kg o A·h/L, respectivamente.
Energía específica Ee:
Es el producto de la capacidad específica y el potencial de salida. Se expresa como:
\[E_e = Q_e\cdot E\]
E = potencial de la celda.
La unidad de la energía específica es J/g, pero se expresa a menudo como W·h/kg.
Calcula con esta información la energía específica de las siguientes reacciones:
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\[H_2(g) + \textstyle{1\over 2}O_2(g)\ \to\ H_2O(l)\] H_2(g)\ +\ \textstyle{1\over 2}O_2(g)\ \to\ H_2O(l) |
(Celdas de hidrógeno) por gramo de H. | E = 1.23 V |
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\[Zn(s) + 2MnO_2(s) + H_2O(l)\ \to\ Zn(OH)_2(s) + Mn_2O_3(s)\] Zn(s)\ +\ 2MnO_2(s) + H_2O(l)\ \to\ Zn(OH)_2(s)\ +\ Mn_2O_3(s) |
(Pilas comunes) por gramo de Zn. | E = 1.54 V |
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\[Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H_2O(l)\ \to\ 2Ni(OH)_2(s) + Cd(OH)_2(s)\] Cd(s)\ +\ 2NiO(OH)(s)\ +\ 2H_2O(l)\ \to\ 2Ni(OH)_2(s)\ +\ Cd(OH)_2(s) |
(Pilas Ni/Cd) por gramo de Cd. | E = 1.46 V |
(Los datos de potencial son para pilas comunes y de Ni/Cd, y el potencial de la celda de hidrógeno es el valor teórico obtenido a partir de las semirreacciones de oxidación y reducción).
EJEMPLO RESUELTO
Como ejemplo, calcularemos la energía específica de una celda elemental de una pila de níquel-cadmio.
Semirreacciones.
Las semirreacciones de oxidación y reducción son:
\[Cd\ \to\ Cd^{2+} + 2e^-\]
\[2Ni^{3+} + 2e^-\ \to\ 2Ni^{2+}\]
Reacción global.
\[2Ni^{3+} + Cd\ \to\ 2Ni^{2+} + Cd^{2+}\]
2Ni^{3+}\ +\ Cd\ \to\ 2Ni^{2+}\ +\ Cd^{2+}
Cálculos numéricos.
En esta reacción se transfieren dos electrones por mol de Cd(s); por lo tanto, la capacidad, para 1 mol de cadmio es:
\[Q_e = \frac{193\ 000}{112.4} = 1\ 717\ \frac{C}{g}\]
La energía específica es:
\[E_e = 1\ 717\cdot 1.46 = 2\ 507\ \frac{J}{g}\]
Repite estas operaciones para las celdas de hidrógeno y la pila común.
Lectura facilitada
Las magnitudes que caracterizan la cantidad de energía acumulada en una pila o batería son la capacidad de carga, la carga específica y la energía específica. Estos tres parámetros son muy importantes, pues determinan la autonomía de cualquier dispositivo que obtenga su energía de una batería. Evidentemente, esto es muy importante en el caso del automóvil, que requiere almacenar la mayor cantidad de energía posible sin aumentar mucho la masa del vehículo.
Si necesitas, la versión de este apartado en EDICO la puedes descargar aquí (edi - 15583 B).
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