H2 Fuel Cell Car

De la habitación de los niños a un pequeño laboratorio

¿Cómo funciona una pila de combustible? ¿Cómo se puede generar hidrógeno con ella? El H2 Fuel Cell Car transmite conocimientos sobre este fascinante tema. A partir de la pila de combustible y el vehículo puede estudiarse el tema del hidrógeno. En combinación con el kit de montaje Green Energy, es posible montar interesantes modelos adicionales.

Tenga en cuenta las instrucciones de seguridad que aparecen al final.

Material informativo y tareas

Mediante la pila de combustible, la energía química de un combustible (por ejemplo: hidrógeno) es convertida en corriente eléctrica. Por lo tanto, una pila de combustible no es un depósito sino un convertidor de energía.

Las pilas de combustible se utilizan, por ejemplo, para poner en marcha vehículos y para suministrar calefacción y electricidad en los hogares.
Una pila de combustible está compuesta por dos electrodos (ánodo y cátodo), que están separados entre sí por una membrana de electrolito.
Los electrodos suelen ser de metal o carbono. Estos están revestidos de un catalizador de, por ejemplo, platino o paladio.

En la pila de combustible, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para generar agua. Esta reacción produce una tensión eléctrica entre ambos electrodos, que permite, por ejemplo, accionar un motor eléctrico.

Tipos de pilas de combustible

La pila de combustible contenida en el H2 Fuel Cell Car es una llamada pila de combustible reversible. Esto significa que la pila de combustible tiene las dos funciones siguientes:

Por un lado, la pila de combustible reversible puede utilizarse como lo que se denomina electrolizador, para generar hidrógeno y oxígeno a partir de agua destilada. Este procedimiento es conocido como electrólisis. El hidrógeno y el oxígeno son almacenados en cilindros acumuladores.
Por otro lado, la pila de combustible reversible posibilita la generación de energía eléctrica por medio de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno almacenados.

Descripción de la pila de combustible:

Cámara de sobrecarga del lado del hidrógeno
Cilindros acumuladores de hidrógeno
Tapones para los conductos de salida de aire
Cilindros acumuladores de oxígeno
Conector negativo (negro)
Diodo de protección
Conector positivo (rojo)
Cámara de sobrecarga del lado del oxígeno
Indicador de nivel de llenado

Llenar la pila de combustible con agua destilada

A tal fin, coloca la pila de combustible sobre un plato plano.

Luego retira los dos tapones (3) de los conductos de salida de aire. Llena ambos cilindros acumuladores con agua destilada hasta el indicador de nivel de llenado (9). (Véase fig. A)

Precaución por posibles daños materiales: El agua corriente u otros líquidos ocasionan daños permanentes a la membrana de la pila de combustible.

Al llenar de agua, el aire de la pila de combustible es expulsado por los conductos de salida de aire. Para asegurar una mejor fluidez del agua alrededor de la membrana y de las placas metálicas que absorben la corriente, golpea suavemente la pila de combustible contra la mesa.
Añade un poco más de agua, solo lo necesario hasta que salga agua por los canales de salida de aire y, a su vez, el agua alcance el indicador de nivel de llenado en las cámaras de sobrecarga.

Ahora puedes volver a cerrar los canales de salida de aire con los tapones. Asegúrate de que no quede aire contenido dentro del cilindro acumulador. Una pequeña burbuja de aire no ocasiona problemas y puede pasarse por alto.
En caso de que la pila de combustible no haya sido utilizada por un largo tiempo, espera unos 10 minutos para que la membrana absorba lo suficiente.

Generación de hidrógeno y oxígeno (electrólisis)

La pila de combustible debe ser abastecida con una tensión continua de entre 1,8 y 3 voltios.
Precaución por posibles daños materiales: Un exceso de tensión puede dañar la membrana de la pila de combustible. La pila de combustible no debe conectarse nunca a una fuente de alimentación fischertechnik de 9 V.

Conecta la fuente de alimentación de 3 V como indica el esquema de conexiones a la pila de combustible previamente llenada con agua destilada y enchufa la fuente de alimentación de 3 V a la toma de corriente.
En cuanto fluya suficiente corriente, comenzará la generación de hidrógeno y oxígeno. Los gases se almacenan en el cilindro acumulador correspondiente. El agua es impulsada a las cámaras de sobrecarga ubicadas por encima.
La pila de combustible está completamente «cargada» cuando la totalidad del agua ha sido conducida del cilindro acumulador de hidrógeno (2) a la cámara de sobrecarga (1) ubicada por encima. Este procedimiento dura aproximadamente 2 – 3 minutos.
Ahora puedes desconectar la pila de combustible del cable de carga. Esto detiene la generación de hidrógeno y oxígeno.

Consejo: Si quieres lograr un rendimiento óptimo de la pila de combustible, extrae todo el aire de ella. Para ello, procede con la generación de hidrógeno hasta que la última gota de agua haya sido conducida del cilindro acumulador de oxígeno a la cámara de sobrecarga ubicada por encima.

Prueba 1:

Comienza a generar hidrógeno. Observa aquí la cantidad de agua sustituida por hidrógeno y oxígeno en ambas cámaras de sobrecarga. ¿Qué puedes ver?

Respuesta:
Se genera el doble de hidrógeno que de oxígeno.

¿Por qué sucede esto?

El agua (H2O) está conformada por moléculas de hidrógeno (H2) y Oxígeno (O2). Estas son denominadas moléculas de agua. Una molécula de agua está conformada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cuando la molécula se separa durante la electrolisis, resulta el doble de moléculas de hidrógeno que de oxígeno.

Generación de energía eléctrica

En cuanto el hidrógeno y el oxígeno se encuentran en los cilindros acumuladores, reaccionan entre sí y en los conectores se genera una tensión eléctrica de 0,5 a 0,9 V. La pila de combustible suministra una corriente eléctrica de 600 mA y tiene una potencia nominal de 300 MW.

Prueba 2:

Conecta el motor incluido a los conectores de la pila de combustible.

¿Qué ves?

El motor gira. Este se acciona con la energía eléctrica generada por la pila de combustible.

Vehículo de pila de combustible

Los vehículos de pila de combustible son medios de transporte eléctricos, cuya energía eléctrica necesaria se genera de las fuentes de energía hidrógeno o metanol por medio de una pila de combustible. Esta forma de propulsión ha sido investigada en profundidad especialmente en las últimas décadas. Los vehículos de pila de combustible compiten con los vehículos eléctricos alimentados por acumuladores.

Los problemas relacionados con el alcance y la economía de los acumuladores (precio y vida útil) llevaron a que algunos fabricantes de automóviles apuesten por la pila de combustible como la tecnología del futuro. Sin embargo, el desarrollo de la infraestructura necesaria para la generación y almacenamiento de hidrógeno y suministro, fundamentalmente, aún está pendiente.

Prueba 3:

Ahora monta por completo el vehículo de pila de combustible. Haz circular el vehículo en línea recta y mide cuánto tiempo o qué distancia logra recorrer con la carga de la pila de combustible.

Repite esta prueba en un trayecto con curvas, así como sobre distintas superficies (rugosa, lisa, etc.). ¿Qué puedes ver?

Respuesta:

A menor fricción, mayor es la velocidad y la distancia que alcanza el vehículo con un «tanque lleno».

Si tienes el H2 Fuel Cell Car y, además, el kit de montaje Green Energy, también puedes realizar las siguientes tareas:

Tarea n.° 1:

Para las siguientes pruebas, monta el modelo de aerogenerador con la pila de combustible como indica el manual de instrucciones.
La pila de combustible se instala en paralelo a los módulos solares. De este modo, se cargará en simultáneo al funcionamiento del aerogenerador.

Prueba 1:

Llena la pila de combustible con agua destilada y coloca el modelo bajo la luz solar o ilumina los módulos solares con una fuente de luz apropiada (por ejemplo: una lámpara incandescente de 100 W a una distancia de 30 m).

¿Qué puedes ver?

El aerogenerador se mueve y, simultáneamente, se generan hidrógeno y oxígeno en la pila de combustible. El motor y la pila de combustible están conectados en paralelo.

Prueba 2:

Ahora espera hasta que se haya generado una cierta cantidad de hidrógeno y cubre los módulos solares o apaga la fuente de luz.

¿Qué puedes ver ahora? Controla también el cilindro acumulador de hidrógeno.

El modelo funciona más lento, pero no se detiene. La pila de combustible consume hidrógeno.

Cuando la intensidad de la luz disminuye, el modelo se alimenta de la pila de combustible. El aerogenerador ahora continúa funcionando incluso tras la puesta de sol o cuando el sol está cubierto por una nube.

El hecho de que el modelo funcione más lento se debe a que la pila de combustible suministra una tensión menor a los módulos solares. Un motor eléctrico gira más lento cuando se le suministra una tensión menor.

Tarea n.° 2:

Monta el aerogenerador o el hombre tambaleante con la pila de combustible.

Prueba 1:

No mantengas presionado el pulsador incorporado.

¿Qué puedes ver?

La pila de combustible recibe la corriente eléctrica de los módulos solares. De este modo, se generan hidrógeno y oxígeno.

Prueba 2:

Ahora mantén presionado el pulsador incorporado.

¿Qué puedes ver ahora?

El motor recibe la corriente eléctrica de la pila de combustible y gira. Esto significa que el oxígeno y el hidrógeno producidos en la pila de combustible generan corriente eléctrica.

Falla	Posible causa	Reparación de fallas
Tensión inusualmente alta cuando se conecta una carga a la pila de combustible	Capa en la superficie del catalizador	La capa en la superficie del catalizador, que aumenta la tensión de salida inicial de la pila de combustible, desaparece tras unos pocos segundos.
Generación de hidrógeno nula o muy lenta	Conexión incorrecta entre la fuente de alimentación y la pila de combustible	Verificar las conexiones y, eventualmente, corregirlas
Generación de hidrógeno nula o muy lenta	La membrana de la pila de combustible está demasiado seca	Dejar reposar la célula de combustible llena de agua destilada durante 30 minutos
Bajo rendimiento de la pila de combustible	La membrana de la pila de combustible está demasiado mojada	Verter el agua de la pila de combustible y dejarla abierta durante todo un día
El modelo (motor) no se mueve o solo se mueve lentamente	Componentes lentos Los componentes no se montaron como indica el manual de instrucciones.	Comprueba si los componentes se mueven con facilidad. Comparar el diseño del modelo con el manual de instrucciones.
El vehículo no se mueve o solo lo hace hacia atrás.	Motor no conectado o mal conectado a la pila de combustible	Verificar la conexión del motor, ver esquema de conexiones.

La pila de combustible no debe guardarse llena de agua
Por lo tanto, luego de las pruebas, retira los tapones de la pila de combustible y vierte el agua. Sacuda la pila de combustible para vaciarla por completo. Luego dejar secar bien.

Indicaciones sobre la protección del medio ambiente

Los componentes eléctricos y electrónicos de este kit de montaje (por ejemplo: motores, lámparas, sensores) no deben desecharse con los residuos domésticos. Al final de su vida útil deben llevarse a un punto de recogida para el reciclado de aparatos eléctricos y electrónicos. El símbolo en el producto, el embalaje o el manual advierte al respecto.

Responsabilidad

Queda excluida una responsabilidad de fischertechnik GmbH por daños provocados por no utilizar el kit de montaje de acuerdo con su uso previsto.

Datos técnicos de la pila de combustible

General		Funcionamiento como electrolizador		Funcionamiento como pila de combustible
Temperatura de funcionamiento	10 – 40°C	Tensión de funcionamiento	2 – 3V	Tensión de funcionamiento	0,5 – 0,9V
Temperatura de almacenaje	5 – 40°C	Corriente de funcionamiento	400 – 1500mA	Corriente de funcionamiento	600mA
Capacidad de almacenamiento de hidrógeno	20ml	Índice máximo de producción de hidrógeno	8ml / min	Potencia nominal	300MW

Instrucciones importantes de seguridad por adelantado

¡ADVERTENCIA!

Solo para el uso por niños a partir de 10 años. Uso solo bajo la supervisión de adultos, que se hayan familiarizado con las medidas de precaución descritas en la caja de experimentación. Lee estas instrucciones antes de iniciar el ensayo, cúmplelas y tenlas a mano para consultas. Las instrucciones para los padres están incluidas y deben ser observadas. Guardar el embalaje y las instrucciones debido a que contienen información importante. Durante el experimento de genera hidrógeno. El hidrógeno combinado con el oxígeno puede generar una mezcla explosiva. Por esta razón, antes del experimento se deben retirar todas las fuentes de ignición.

Consejos de supervisión para adultos

Esta caja de experimentación solo está determinada para niños mayores de 10 años.
Las instrucciones deben facultar al adulto de evaluar el experimento con miras a su adecuación para el niño afectado.

Reglas de seguridad

Lee estas instrucciones antes de iniciar el ensayo, cúmplelas y tenlas a mano para consultas.
Guarda la caja de experimentación fuera del alcance de niños pequeños.
No introducir alambres en la caja de enchufe.
Advertencia: ¡No quitar el diodo de protección entre las conexiones de la célula de combustible! Este impide que en caso de cortocircuito entre el polo positivo (rojo) y el polo negativo (negro) la célula de combustible se destruya o los conductores se caliente en exceso.
¡No poner la célula de combustible en cortocircuito (peligro de explosión)!
Advertencia: ¡Debido a errores (de circuito) o modifi caciones inadmisibles, los incrementos de temperatura en superfi cies de contacto pueden sobrepasar los valores límite admisibles!
La célula de combustible sólo puede ser operada con un tensión continua hasta 3V. Bajo ningún concepto conectar otros suministros de energía, p.ej. 9 V-fi schertechnik.
Las hembrillas de conexión de la célula de combustible no pueden ser puestas en cortocircuito.
Debido a una tensión demasiado elevada o por un cortocircuito se puede destruir la célula de combustible.
No generes electricidad o hidrógeno para otros fi nes que los indicados en el manual de instrucciones.
Genera o almacena solo tanto hidrógeno como el que cabe en el cilindro acumulador de la célula de combustible (aprox. 20 ml).
Evita una carga continua de la célula de combustible.

Uso conforme al empleo previsto

La célula de combustible del Fuel Cell Kit puede ser empleada exclusivamente para el servicio de modelos fischertechnik.