Revista de Divulgación Científico-Tecnológica del Gobierno del Estado de Morelos

¿Cómo funcionan las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico?


Dra. Ma. Guadalupe López López / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, CENIDET.
Dr. Víctor Manuel Alvarado Martínez / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, CENIDET.
Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, CENIDET.
Archivo: Energías alternativas

Las celdas de combustible representan una alternativa no contaminante para producir energía eléctrica, ya que convierten energía química de combustibles en electricidad de corriente directa (DC), sin más subproductos que agua y calor.
          Existen 5 tipos básicos de celdas de combustible que funcionan bajo los mismos principios electroquímicos y termodinámicos, sin embargo, su diseño mecánico-estructural es muy diferente: las celdas Ácido Fosfórico, de Carbonato Fundido, de Óxido Sólido, Alcalinas y de Membrana de Intercambio Protónico, denominadas celdas PAFC, MCFC, SOFC, AFC y PEMFC, respectivamente, por sus siglas en inglés. La utilización de un tipo de celda depende del nivel de potencia requerido; sus usos van desde pequeñas aplicaciones portátiles hasta la cogeneración. En particular, las Celdas de Membrana de Intercambio Protónico (PEM) son útiles para aplicaciones portátiles, pequeños sistemas distribuidos para mover vehículos de propulsión. Tienen una densidad de potencia y una eficiencia de conversión altas, operan a temperaturas inferiores a 100°C, no tienen problemas de corrosión, y su arranque es rápido comparado con el de otros sistemas de generación o con el de otros tipos de celdas.


Fig. 1 Monocelda de combustible PEM, marca ElectroChem Inc. (Propiedad del Instituto de Investigaciones Eléctricas, IIE, Autor: Zamora A.).

Una celda PEM está conformada, como toda celda electrolítica, por un ánodo, un cátodo y un electrolito. En una celda PEM esto es el conjunto membrana-electrodo. En este conjunto, una membrana polimérica hace la función de electrolito y el todo está contenido entre dos placas metálicas llamadas placas bipolares, lo que forma una monocelda (fig.1). Las placas bipolares sirven para suministrar los gases y como elemento de conexión electrónica entre monoceldas.
El principio de operación de una celda PEM está representado en la figura 2. El proceso inicia con el suministro de hidrógeno y oxígeno a una presión definida. El combustible se distribuye uniformemente a través de los canales de las placas bipolares para alcanzar el ánodo de la celda (A). Por otro lado, el oxígeno puro de un tanque, o el aire proveniente de un compresor sigue un camino similar, pero en el lado del cátodo (B).

Fig. 2. Esquema del funcionamiento de una celda PEM (Adaptado de Wikimedia Commos del Autor HandigeHarry).

En el ánodo, las moléculas de H2 se difunden a través de los poros de las placas de difusión. Posteriormente, llegan a la placa catalítica en donde se enlazan con el catalizador, provocando que el potencial de ionización disminuya y que las moléculas se disocien (o se rompan) en átomos. Es decir, el hidrógeno molecular (H2) se transforma en protones (H+) y en electrones (e-) mediante la reacción en el ánodo (C).Los iones H+ migran a través del electrolito por medio de saltos (D). Estos iones se fijan a unos radicales con cargas negativas, dispuestos en la membrana electrolítica, posteriormente son desprendidos y arrastrados hasta el cátodo por el agua contenida en la celda. Este mecanismo es el que da el nombre a este tipo de celda, pues ocurre un intercambio de protones entre los electrodos, refiriéndonos al transporte de H+, a través de la membrana.
Por otro lado, los electrones no pueden pasar por esta membrana porque está hecha con un material aislante y en consecuencia se conducen por las placas metálicas que forman un circuito eléctrico externo. De esta forma se alimenta una carga (E) con la corriente de electrones, producto principal de este dispositivo.
En paralelo, los mecanismos que ocurren en el cátodo son los siguientes: Los iones H+que migraron hacia el cátodo a través de la membrana, los electrones que llegaron ahí por el circuito externo y las moléculas del oxígeno O2transportadas hacia la superficie se enlazan en el catalizador para formar agua mediante la reaccionen el cátodo (F).El agua es un producto secundario, junto con el calor causado por las reacciones exotérmicas.
Una monocelda genera de esta manera un voltaje no mayor a 0.7 V. Después, un cierto número de monoceldas conectadas eléctricamente en serie proporciona el voltaje y la potencia solicitados, este elemento se denomina apilamiento de celdas (fig. 3).


Fig. 3. Apilamiento de celdas de combustible de 1KW, marca Horizon (Propiedad del CENIDET).

La combinación de un apilamiento de celdas y equipo auxiliar permite que la celda opere en condiciones de temperatura, presión y humedad adecuadas. Al sistema completo se le conoce como balance de planta. Para complementar la descripción de un sistema de generación de electricidad basado en celdas PEM, se listan como ejemplo los elementos mínimos que constituyen un sistema de propulsión para vehículo :Estos son a) un subsistema de suministro de reactantes; b)un subsistema de manejo de agua, que incluye un dispositivo de abastecimiento de agua de-ionizada para humidificar los gases, y un separador de agua para reciclar el agua en el humidificador; c) un subsistema de manejo de calor para enfriar la celda y asegurar que los gases entren a la temperatura de operación; d) un subsistema de potencia que permita entregar un voltaje útil, ya que el voltaje generado por la celda varía significativamente en el tiempo, lo cual no es adecuado para motores de tracción o para componentes electrónicos de los vehículos.


Fig. 4.(a) Autobús de prueba recorriendo la ruta RV1 en Londres. (CreativeCommons, autor Tom Page). (b) Nuevo modelo Mercedes impulsado con celdas de combustible (CreativeCommons, Autor Joe Wolf).

Las celdas PEM son en la actualidad objeto de investigación en la industria y en instituciones educativas. Solo hasta el 2002, el ramo automotriz logra los primeros pasos importantes encaminados a la comercialización de celdas PEM. Con la introducción de la primera serie limitada, FCX de Honda, de vehículos movidos por celdas de combustible; y más tarde, con una oferta similar de Toyota; se logra pasar la etapa de evaluación de factibilidad. Como consecuencia, la tecnología de celdas se está transformando gradualmente en una tecnología viable, prueba de ello son los automóviles de prueba de Mercedes que han sido utilizados como transporte público en la ruta RV1 en Londres (Fig.4.a).y el nuevo modelo de vehículos Mercedes, programado para salir en diciembre de 2010 (Fig. 4.b).

 


Ma. Guadalupe López López es profesora de mecatrónica en el CENIDET. Es Doctora en Ingeniería de Procesos por la Universidad de Aix-Marseille III, Francia, y realizó un postdoctorado en la Universidad Arts et Métiers, Paris Tech, en Aix-en-Provence, Francia, con el tema de modelado de procesos de tratamiento de superficies. Su línea de especialización es el Modelado y Simulación de Procesos, con aplicaciones en Energías Alternativas, y en Control y Automatización de Procesos.


Víctor Manuel Alvarado Martínez es profesor–investigador de electrónica en el CENIDET. Es Doctor en Control Automático por el Institute National Polytechnique de Grenoble, Francia. Ha realizado estancias científicas en el Technopôle de Château-Gombert y en Arts et Métiers Paris Tech, en Francia, trabajando con Identificación de Sistemas. Su área de especialización es la validación de modelos, la Identificación de Sistemas, y el Control Digital Robusto e Inteligente.


Enrique Quintero-Mármol Márquez es profesor–investigador y actualmente jefe de mecatrónica en el CENIDET. Es Doctor en Ingeniería Química porla Universidad de Lehigh en Pennsylvania, Estados Unidos. Su área de especialización es el Modelado, Simulación y Control de Procesos Químicos. Tiene experiencia en la simulación y control de plantas termoeléctricas y nucleares. Ha trabajado con Control Lineal, Digital, Adaptable, Óptimo, Estocástico, Predictivo, Inteligente y Observadores.