Competencia y demostración de automóviles de pila de combustible de Columbia Chemical Engineering
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Acerca del concurso de coches de pila de combustible
La primera competencia y demostración de automóviles de pila de combustible de ingeniería química de Columbia se planificó, desarrolló y ejecutó para inspirar y educar a los jóvenes sobre la ingeniería química. Esta experiencia práctica se inspiró en la competencia ChemE Car del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE) utilizando el automóvil de pila de combustible X7 de Thames y Kosmos. Esta competencia fue parte de un evento de divulgación de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas (STEM) organizado por la Organización de Graduados en Ingeniería Química (ChEGO) y el Dr. Robert G. Bozic, Teniente Coronel del Ejército de los EE. UU. (Retirado) en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Columbia. El propósito de este evento fue permitir la participación de estudiantes de secundaria en una experiencia competitiva de ingeniería química construida sobre los cimientos de la competencia ChemE Car del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE), con una logística fácilmente manejable y tiempos de preparación cortos, cumpliendo al mismo tiempo con todos los requisitos de seguridad. . Para afrontar estos desafíos en un entorno de tiempo limitado, diez de los Thames y Kosmos X7 Fuel Cell Cars llevan el nombre cariñoso de los temas de Columbia (Roar-ee, Pride, Lion, Lioness, Cub e Ivy) y de ingeniería electroquímica (ChemE , electro, voltaico y galvánico) se utilizaron en una competencia dirigida por estudiantes de posgrado. Más de 30 estudiantes y visitantes conocieron este concepto único de competencia de ingeniería química y se les animó a participar en niveles de complejidad cada vez mayores.
Hay dos niveles de competición disponibles: «Speed Racer» e «Chemical Engineer». El nivel «Speed Racer» incluye instrucción breve sobre evaluación de riesgos, seguridad química, principios del equilibrio de masa y energía, y énfasis en la naturaleza de ingeniería química de la competencia, así como énfasis en el enfoque de resolución de problemas de los ingenieros. Este nivel permite que el estudiante alcance la etapa de prueba en cuestión de minutos. El nivel «Ingeniero químico» enfatiza los conceptos básicos vistos en el nivel «Speed Racer», así como el análisis de errores, el diseño asistido por computadora usando ASPEN, cálculos de eficiencia y un enfoque más deliberado para comprender los efectos del error en las ecuaciones utilizadas para estimar el volumen. de gas hidrógeno necesaria para recorrer la distancia deseada. Las escalas de tiempo serían en horas, para un tratamiento exhaustivo de las áreas de énfasis en el nivel “Ingeniero Químico”. La esencia de la competición es determinar el volumen necesario para hacer que el X7 Fuel Cell Car recorra la distancia deseada y lograr el éxito siendo el equipo que acerque el coche lo más posible a la línea de meta sin tocar la línea de meta ni repasándolo con cualquier parte del coche. [3] Ante este problema de ingeniería química, los estudiantes competidores, con la ayuda de líderes estudiantiles graduados, participan plenamente en una competencia de ingeniería química que puede realizarse en interiores o exteriores. En base a decisiones climáticas adversas asociadas con la actividad al aire libre, generalmente la competencia se ha llevado a cabo en interiores. El propósito de este artículo es describir el evento como un medio para que otros repliquen el tipo de Difusión STEM en Ingeniería Química realizada en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Columbia. El evento se divide en fases: planificación y recursos, preparación y ensayos de instructores, demostración y competencia de automóviles de pila de combustible ChemE, operaciones de recuperación y revisión posterior a la acción. También se presentan algunas conclusiones.
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Planificación y recursos
La primera etapa de preparación para el evento es la planificación y la obtención de recursos. El ciclo de planificación antes del evento estuvo impulsado por la disponibilidad de los estudiantes líderes, profesores y estudiantes competidores. Gran parte de la planificación y los recursos para el evento fueron realizados por el instructor basándose en su experiencia previa como asesor docente del Club de Ingeniería Química de West Point [3]. Los estudiantes de posgrado coordinaron con una escuela local y la escuela de ingeniería para los estudiantes interesados y el espacio para eventos, respectivamente. Los estudiantes de posgrado fueron los encargados de sincronizar los horarios. Se necesitaba una comprensión inherente del evento para poder liderarlo.
Sobre la base de experiencias previas con grupos de estudiantes, se desarrolló una lista de recursos que se adjunta en el apéndice 1. Se compró un juego de 10 automóviles para apoyar a aproximadamente tres estudiantes por grupo. Se imprimieron calcomanías utilizando etiquetas de dirección Avery “White Easy Peel” (#5160) para cada miembro del grupo de estudiantes competitivo con el fin de promover la unidad del equipo.[4] Las pegatinas también se colocaron en los coches para que los estudiantes pudieran identificar fácilmente su coche. Se compró cinta adhesiva para marcar la línea de salida y la línea de meta, así como las líneas laterales para que la zona de competencia quedara completamente designada. Se compraron dos cintas métricas para usarlas al medir la distancia desde la línea de meta hasta el auto. Se compraron voltímetros para verificar el voltaje de las baterías y de las celdas de combustible para ayudar en la resolución de problemas y con la instrucción de los grupos de estudiantes. Los nombres de los grupos se imprimieron en color y se colocaron en protectores de documentos cerca del área de la estación de servicio de cada grupo. También se imprimieron y colocaron carteles de línea de salida, línea de meta, zona de competición y estaciones de servicio para delimitar las zonas de competición. Se necesitan baterías AA para cada paquete de baterías que viene con el kit X7. Se quitaron las cubiertas de los paquetes de baterías de cada paquete de baterías, ya que es otro pequeño trozo de plástico que se pierde fácilmente y, según las mejores prácticas y la seguridad, es mejor minimizar el tiempo que las baterías permanecen en los paquetes de carga. Quitar la tapa facilita la extracción de las baterías. Las baterías se sobrecalentarán y degradarán si no se sacan del paquete de baterías. La cuerda del paracaídas se compró y se utilizó como marcador de carril en algunas pruebas. Para esta prueba, el cordón que se compró se mezcló muy bien con la alfombra. La cinta sirvió como marcador de carril. Si se utiliza cable, se recomienda un color brillante y se debe tener cuidado de no crear un peligro de tropiezo. El cordón es útil para colgar un cartel según se desee para indicar instrucciones de decoración o similares. Todos los artículos se guardan en contenedores con ruedas y cajas de herramientas que están equipados con ruedas y un asa para facilitar el movimiento hacia y desde el espacio del evento. Con estos suministros en su lugar, los pasos de preparación se describen a continuación.
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Estudiante de posgrado en ingeniería química de Columbia le enseña a un estudiante competidor sobre electrólisis.
Estudiante graduado en Ingeniería Química de Columbia guía al equipo de estudiantes hasta la línea de salida.
Preparación del instructor y ensayos
Fueron necesarias algunas reuniones con líderes de estudiantes de posgrado antes del evento para informar a los líderes de estudiantes de posgrado y coordinar esfuerzos. Antes del evento, el instructor se tomó un tiempo para enseñar a los líderes estudiantiles de posgrado sobre la seguridad y los procedimientos para la competencia. Se cubrieron instrucciones sobre seguridad, los conceptos básicos de cómo funciona el automóvil X7 Fuel Cell, la conexión con la competencia AIChE, el cronograma básico del evento y los recursos necesarios, la conexión con la extensión STEM, los planes de respaldo y la resolución de problemas. Se dibujó un diseño básico del espacio del evento en una pizarra blanca para ayudar a todos a comprender el efecto de la ubicación del equipo, los materiales y el personal. Se hicieron planes para que los estudiantes de posgrado llenaran dos recipientes más grandes con agua desionizada antes del evento. Las botellas más pequeñas se llenaron con los contenedores más grandes en el lugar del evento. Se designaron los roles para cada miembro del equipo docente y se esbozó un panorama operativo común para garantizar que todos tuvieran la misma idea de cómo sería el sitio del evento y el rol de cada miembro en el sitio durante el día del evento. .
Concurso de coches de pila de combustible ChemE
Las etapas iniciales de este evento fueron dirigidas por miembros de la facultad y estudiantes de posgrado involucrados en la extensión STEM de ChEGO. El miembro de la facultad desarrolló diapositivas instructivas que cubrían la seguridad, las conexiones de ingeniería química básica con el evento, el cronograma del evento, el funcionamiento del automóvil de pila de combustible X7, los conceptos fundamentales de química e ingeniería que respaldan la competencia, las reglas de la competencia y los premios. [5-7] Antes del evento, el instructor revisó todas las diapositivas con los líderes de los estudiantes graduados y demostró el uso del automóvil, así como ciertos errores. Los estudiantes de posgrado tuvieron tiempo para preparar y ensayar con los autos antes de que llegaran al lugar de la competencia.
A continuación se incluye una breve descripción de la cobertura de cada área de la presentación inicial: Se enfatizó la seguridad desde el principio con instrucciones sobre evaluación de riesgos para los estudiantes graduados organizadores antes del evento y para los participantes el día de la competencia. A todos los estudiantes participantes se les presentó brevemente el concepto de frecuencia y consecuencias que componen el riesgo. Como se determinó que la frecuencia con la que a alguien le salpicaba agua en los ojos sin darse cuenta era un evento probable y que las consecuencias de tal evento tenían posibles efectos negativos duraderos, se desarrolló un requisito básico para la protección ocular de todos los participantes y se dotaron de recursos para el evento. La protección ocular se mantiene con el kit que fue desarrollado para su uso en Columbia o para su uso en un lugar de extensión. Se determinó que la duración del evento sería de aproximadamente una hora y media. El instructor anfitrión comenzó el evento con una sesión informativa de seguridad e instrucciones de competencia utilizando un sistema de proyección por computadora y diapositivas en power point. Los estudiantes fueron divididos en equipos por su maestro antes de venir para que el grupo tuviera un ambiente equilibrado y competitivo y para que no hubiera demoras en comenzar la actividad al llegar al sitio. Durante la introducción, los estudiantes recibieron instrucciones sobre la conexión con la competencia de automóviles de ingeniería química AIChE, donde los estudiantes universitarios construyen un automóvil del tamaño de una caja de zapatos que puede transportar una carga específica a una distancia determinada y detenerse cerca de la línea de meta. La Competencia y Demostración de Ingeniería Química de Columbia utiliza un automóvil Thames y Kosmos completamente ensamblado y el mecanismo de parada es el «reactivo limitante»; el gas hidrógeno utilizado en la pila de combustible del coche. También ha resultado valioso instruir a los estudiantes sobre cómo manejar el Thames and Kosmos X7 Fuel Cell Car. Por experiencia, los estudiantes tienen una tendencia a levantar el automóvil de la celda de combustible que está asegurada por fricción, esto puede causar que la carrocería se deslice hacia abajo y puede causar que se derrame agua, así como otros daños cuando el estudiante reacciona e intenta agarrar el auto. Las conexiones de los cables son frágiles y se rompen fácilmente en la conexión al motor de CC. Hay una serie de piezas pequeñas que se deben quitar y reinstalar de una prueba a otra. Estas piezas pueden perderse fácilmente y, por lo tanto, se estableció una regla para llenar los automóviles en una única ubicación de «estación de servicio» para ayudar a prevenir pérdidas y evitar la agrupación de grupos cerca de la línea de salida. La zona de competencia quedó firmemente establecida al comienzo del evento ya que este es el punto de disputa más común durante el evento. Todos los grupos de estudiantes deberán comenzar detrás de la cinta que designa la línea de salida. La línea de meta estaba marcada con cinta adhesiva. Ninguna parte del auto debía cruzar la línea de meta o pasar la línea de meta para una prueba de clasificación. Los estudiantes también recibieron instrucciones sobre los límites laterales.
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El departamento proporcionó cintas métricas como premio para el estudiante que ganó la competencia y cada estudiante recibió reglas de ingeniería química de Columbia como una forma de felicitar a todos por participar.
El día de la competencia se fijó con los instructores llegando al sitio aproximadamente una hora antes de la llegada de los estudiantes. Fue necesario despejar la sala de mesas y sillas para habilitar en el suelo la zona de competición, las zonas de gasolinera de coches y una conexión del ordenador al proyector de pantalla. Se grabó un contorno de caja cuadrada en el suelo para que varios equipos competitivos pudieran realizar pruebas y para que los coches no tuvieran que viajar en una trayectoria simplemente recta. Como se ha observado en el pasado con el X7 Fuel Cell Car, las ruedas pueden desalinearse y, por una razón indeterminada, algunos grupos de estudiantes nunca superan este desafío y buscan compensarlo de otra manera. Cada grupo de estudiantes tiene un área designada como estación de servicio donde el automóvil, la botella de agua destilada y un grupo de tres estudiantes y un estudiante instructor graduado podrían trabajar en electrolizar el agua para producir el gas necesario para que el automóvil funcione correctamente. distancia deseada. Para otras iteraciones de la competencia, hubo instructores que atendieron el área determinada, el área de la estación de servicio, la zona competitiva y tal vez la computadora donde se puede actualizar la tabla de clasificación. Dependiendo de cuánta supervisión necesiten los estudiantes, el instructor puede tener más libertad para moverse. Como se puede desear el autodescubrimiento, se puede utilizar un enfoque de no intervención, pero el nivel de madurez y la autodisciplina del estudiante deben ser una consideración para dicho enfoque. Se obtuvieron pequeñas botellas de agua desionizada para que cada grupo pudiera tener su propia fuente de agua. Cada grupo utilizó aproximadamente 50 ml de agua durante una competencia, por lo que la botella de agua por grupo es más que suficiente para completar la cantidad de pruebas que intentará un grupo de estudiantes. A medida que cada grupo realiza una prueba, un instructor estudiante graduado sigue el progreso y mide la distancia desde la línea de meta. Se mantiene una tabla de clasificación en la pantalla de proyección para resaltar la distancia más corta hasta la línea de meta.
Para algunas iteraciones del evento, dependiendo de la duración de la zona competitiva, puede existir el deseo de establecer zonas de puntuación con calcomanías como premios para honrar el progreso de los estudiantes. Esto también ayuda a fomentar la atmósfera competitiva. Para el evento celebrado en Columbia, la distancia fue tan corta que no se establecieron zonas y las líneas de salida, llegada y límites fueron lo único que delimitaba la zona competitiva. Hacia el final de la competición, los grupos de estudiantes reciben amplio aviso sobre cuándo concluirá el tiempo de las pruebas. Una vez que se ha llamado al final, el grupo de estudiantes con el final más cercano es declarado ganador general y se le entrega un premio, en este caso, era una cinta métrica con el logotipo de Columbia Chemical Engineering.
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Estudiante de posgrado enseña a los competidores cómo funciona el automóvil de pila de combustible X7.
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Estudiantes utilizando la «estación de servicio» para sus automóviles de pila de combustible.
Operaciones de recuperación
Todo el equipo fue recogido y colocado en las cajas de herramientas rodantes al final del evento para su almacenamiento seguro hasta el próximo uso. A cada automóvil se le drenó toda el agua y posteriormente se revisó en busca de daños. Los daños comunes incluyen y las posibles soluciones/usos a continuación:
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Revisión después de la acción
Se realizó un seguimiento rápido con los líderes de estudiantes de posgrado y los maestros de la escuela secundaria y se determinó que el evento fue un éxito. La cantidad de tiempo dedicado al evento depende de la complejidad del problema presentado a los estudiantes competidores. Con el nivel de competencia de “corredor de velocidad”, el tiempo para llegar a las pruebas de carrera es en la escala de minutos. El tiempo para rellenar está en la escala de minutos y, según la eficiencia de la pila de combustible, solo se necesitan unos segundos para electrolizar el agua DI, por lo que entre una hora y una hora y media es tiempo suficiente para realizar una recarga completa. competencia. Es a través del proceso de revisión posterior a la acción que se pueden realizar cambios y ajustes para mejorar la experiencia.
Conclusión
La primera competencia y demostración de automóviles de pila de combustible de Ingeniería Química de Columbia fue una forma segura y exitosa de inspirar y educar a los jóvenes sobre la ingeniería química con una experiencia práctica inspirada en la competencia de automóviles ChemE del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE) utilizando el combustible X7. Coche celular de Thames y Kosmos. [1, 2] Este evento tiene bases sólidas debido a su conexión con la Competencia de Automóviles de Ingeniería Química AIChE. Se consideró que el tiempo necesario para ejecutar este evento no era excesivamente oneroso y no se introdujeron grandes peligros químicos que de otro modo elevarían el nivel de riesgo del evento a un nivel irrazonable. Las reparaciones y daños al equipo se consideran desgaste normal, por lo tanto un aspecto menor del evento, pero ciertamente requiere preparación. Los estudiantes expresaron un enorme entusiasmo por el evento y los instructores de todos los niveles vieron los beneficios de un evento que ejercita el enfoque de resolución de problemas de ingeniería química en las escalas de tiempo deseadas por la próxima generación de ingenieros.
Agradecimientos
Este evento no habría sido posible sin el apoyo de los siguientes estudiantes graduados en ingeniería química de Columbia: Ece Erturk, Emily Hsu, Gianna Credaroli, Thi Vo, Christianna Lininger y Anna Dorfi. El apoyo administrativo y logístico estuvo a cargo de Kathy Marte. El apoyo fotográfico estuvo a cargo de Ariel Sánchez.
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Trabajos citados
1) Unknown. Chem-E Car Competition Award. 2016 [cited 2016; Available from: https://www.aiche.org/community/awards/chem-e-car-competitionr-award.
2) Unknown. Fuel Cell X7 Hydrogen Powered Car. 2016 [cited 2016; Available from: https://www.thamesandkosmos.com/index.php/product/category/science-kits/fuel-cell-x7.
3) Bozic, R.G., Bringing Chemical Engineering to the Masses through a Fuel Cell Car Demo and Competition, in AIChE Annual Meeting Conference Proceedings, 2012. 2012.
4) Unknown. Avery® Easy Peel® White Address Labels for Laser Printers 5160. 2016 [cited 2016; Available from: https://www.avery.com/avery/en_us/Products/Labels/Addressing-Labels/Easy-Peel-White-Address-Labels_05160.htm.
5) West, A.C., Electrochemistry and Electrochemical Engineering: An Introduction. 2012: CreateSpace Independent Publishing Platform.
6) Prentice, G., Electrochemical Engineering Principles. 1991: Prentice Hall.
7) Silberberg, M., Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. 2006: McGraw-Hill.