Celdas de Combustible de Intercambio ProtónicoProton Exchange Membrane Fuel Cells (PEM)

José Miguel Barquet Bravo, Bernardo Maza Stern y Eugenio Souto GallardoLaboratorio Unificado de Fisicoquímica, Facultad de Química

UNAM 2012

AbstractFuel cells are the next step in energy technology to use as an alternative to generate electrical energy. Nowadays, investigation institutes are aiming their studies to achieve the development of different kinds of cells, which will intend to replace combustion engines in vehicles that have a great impact in the environmental damage. The proton exchange membrane fuel cell (PEM), is a cell which does not pollute and has the quality to adapt itself to long, medium and short term needs.

ResumenLas celdas de combustible son el siguiente paso en la tecnología para generar alternativas en obtención de energía eléctrica. Hoy, los institutos de investigación apuntan sus estudios al desarrollo de nuevos tipos de celdas, que en un futuro se pretende remplacen a los motores de combustión interna en vehículos que tienen un impacto nocivo en el medio ambiente. La membrana de intercambio protónico (PEM) es una celda que no contamina y que tiene la capacidad de adaptarse a cualquier necesidad a largo, mediano y corto plazo.

Palabras clave – membrana de intercambio iónico, celda de hidrógeno, celda electrolítica, celda galvánica, energía alterna, electroquímica

IntroducciónHoy en día, los combustibles fósiles proveen más del 80% de la energía demanda por la

humanidad.a Desafortunadamente, el uso de estos combustibles tiene un grave impacto en el medio ambiente al provocar severas emisiones de gases invernaderob al momento de su combustión. Sin embargo, existen alternativas que pueden brindar una solución a este gran problema de contaminación con el que se cuenta hoy.

En la búsqueda de tecnologías alternativas la producción de energía eléctrica, se ha buscado desde hace tiempo, la manera de generarla de forma eficiente y sin que represente un impacto tan nocivo tan grande para el medio ambiente. Esta búsqueda comenzó a mediados del

a Survey of Energy Resources 2007, Energy Demand, http://www.worldenergy.org/publications/survey_of_energy_resources_2007/coal/628.asp

b Se denominan gases invernadero a los gases como vapor de agua, dióxido de carbono, ozono y óxidos de nitrógeno y azufre, cuya presencia en la atmósfera contribuyen al efecto invernadero. Los más importantes están presentes en la atmósfera de manera natural, aunque su concentración puede verse modificada por la actividad humana, pero también entran en este concepto algunos gases artificiales, producto de la industria.

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Siglo XIX por Sir William Grove, un científico galés que combinó hidrógeno y oxígeno para generar energía, calor y agua. Después en la segunda mitad del siglo XX se empezó a utilizar este método para proporcionar electricidad y agua a naves espaciales. Hoy en día, esta tecnología permite usar las celdas en diferentes aplicaciones, una de ellas, como motores de automóviles.

Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo, puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. Tienen un tiempo de vida relativamente largo, aproximadamente 5 años, dependiendo de las condiciones de operación.

La mayor ventaja que tienen estas celdas, es que no están limitadas por la temperatura, lo que causa que se alcancen altas eficiencias en estos procesos mientras ésta sea mayor. Las reacciones suelen ser exotérmicas, y el calor desprendido es bueno para aumentar la eficiencia de las celdas.

La ventaja más clara y que en estos tiempos importa más, es la nula emisión de contaminantes como dióxido de carbono, ozono y óxidos de nitrógeno y azufre, ya que solo se usa hidrógeno y oxígeno como combustible y produce vapor de agua.

En la amplia gama de celdas que existen en nuestros tiempos, la celda de membrana de intercambio protónico es la más avanzada, ya que las condiciones de operación son fáciles de alcanzar (máx 80°C) y se puede utilizar cualquier combustible que tenga cantidades considerables de hidrógeno.

Entonces estas celdas presentan un desarrollo revolucionario al utilizar la reacción electroquímica del hidrógeno en combustible con el oxígeno para producir energía, calor y agua.

Objetivo

Establecer si es posible generar suficiente energía eléctrica mediante una celda de intercambio protónico para ser implementada como motor de un vehículo de uso cotidiano, sustituyendo de esta forma a los motores de combustión interna que tienen un impacto negativo en el medio ambiente, emitiendo gases contaminantes a la atmósfera gracias a la combustión de carburantes fósiles.

Determinar si las normas impuestas por la SEMARNAT las cuales establecen los límites máximos de emisión de gases contaminantes provenientes del escape de vehículos automotores en circulación, son respetadas por esta tecnología de producción energética.

Hipótesis y Desarrollo

Las celdas de intercambio protónico (PEM), son más eficientes, menos costosas y emiten menos contaminantes que un automóvil de 4 cilindros de combustión interna en la Ciudad de México.

Para poder proceder con la parte experimental y comenzar a hacer pruebas de eficiencia con la celda de combustible, era necesario primero contar con una buena cantidad de hidrógeno con el fin de poder hacer funcionar la celda. La manera más eficiente y sencilla para lograr esto, era la electrólisis del agua, fragmentándola de esta forma en sus dos componentes gaseosos hidrógeno y oxígeno. Afortunadamente, la celda de combustible utilizada en el laboratorio permitía, además de ser utilizada para producir energía mediante la alimentación de hidrógeno, funcionaba como medio para electrolizar agua. Es por eso, que el experimento que a continuación se presenta, se divide en dos partes. La primera, consiste en electrolizar el agua y para esto se utilizó el siguiente material y se llevó a cabo el siguiente procedimiento.

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Material

Fuente de poder, permitió regular el voltaje necesario para la electrólisis del agua demandado por la celda.

Vasos de precipitados de 2 L (2) y de 250 ml (2). Jeringas, permitieron almacenar el hidrógeno y el oxígeno producido, e inyectarlos de

vuelta en la celda para producir energía. Agua destilada, único reactivo utilizado para hacer la electrólisis y obtener hidrógeno y

oxígeno. Mutímetro y cables tipo caimán. Celda de combustible de intercambio protónico PEM: Se uso una celda R102 Double

H2/O2c

Imagen 1

Como se observa en la Imagen 1, las características de la celda nos permitieron tener a nuestra disposición una celda electrolítica que producía hidrógeno y oxígeno a partir de agua destilada. Al suministrar una diferencia de potencial mediante la fuente de poder, se llevaba a cabo la electrólisis que permitía almacenar los gases en los tanques (jeringas). Se obtenía el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno.

Aproximadamente después de 60 minutos de operación, eran capturados cerca de 600cm3

de hidrógeno. A partir de este momento, la celda comenzaría a funcionar como una celda de intercambio protónico para producir energía y hacer funcionar un pequeño motor eléctrico. El arreglo para este procedimiento se puede observar en la Imagen 2. Este proceso se debía llevar a cabo relativamente rápido ya que el hidrógeno es muy propenso a escaparse de su contenedor al tener moléculas muy pequeñas.

c Celda de Combustible R102, manual anexo

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Imagen 2

Funcionamiento de la Celda

La celda usa como electrolito una membrana polimérica conductora de protones. La membrana esta entre dos electrodos porosos; un electrodo es un electrocatalizador de Platino y el otro electrodo es un material hidrofóbico. El único líquido que maneja es agua, destilada preferentemente para evitar incrustaciones contaminantes en la membrana.

Como ya se mencionó anteriormente, en la celda se llevaron a cabo dos procesos: electrólisis, en donde se transformó energía eléctrica en energía química, y el proceso inverso (celda galvánica) en donde la energía química se transformó en eléctrica.

Funcionamiento celda electrolítica

Hidrólisis del agua:

H2O ↔ OH− + H+

Semi-reacción catódica

2H+ + 2e− ↔ H2

Semi-reacción anódica

4OH− ↔ O2 + 2H2O + 4e−

Reacción Global

2H+ + 2OH− ↔ + H2 + ½O2 + H2O

La fuente de poder fue conectada la celda regulando el voltaje para obtener como máximo 2 Volts. Esta condición es el máximo voltaje permitido por las características de operación de la celda para producir eficientemente el hidrógeno y el oxígeno sin que ésta deje de funcionar ni se dañe.

Funcionamiento celda de intercambio protónico (PEM)

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Cuando el hidrógeno fluye por la membrana, éste se protoniza liberando electrones que fluyen generando una corriente eléctrica. Al mismo tiempo, los protones restantes atraviesan la membrana y se encuentran con el oxígeno del aire llevando a cabo la siguiente reacción:

Con esta reacción exotérmica se forma agua en estado gaseoso que es liberada al medio ambiente.

La energía generada por el hidrógeno y el oxígeno dentro de la celda depende del volumen de gas, el área de transferencia y la temperatura. Los resultados obtenidos se presentan a continuación.

Resultados

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Con la energía proporcionada por la fuente de poder y el agua destilada se llevo a cabo la electrólisis. La celda producía aproximadamente 10 cm3/min de hidrógeno y 5 cm3/min de oxígeno.

2Vcm3 H2 t (min)

0 030 596 10

130 15140 20199 25299 30329 35388 40455 45549 50548 55599 60

0 10 20 30 40 50 60 700

100

200

300

400

500

600

700

f(x) = 2.66753621378621 x + 7.32775974025972R² = 0.973326038091678

f(x) = 5.19505494505495 x − 9.2478021978022R² = 0.990734304989395

f(x) = 10.5461538461538 x − 27R² = 0.985949115308839

Producción de H2 con diferentes Voltajes

2V Linear (2V) 1V Linear (1V)0.5V Linear (0.5V)

tiempo (min)

v (c

m3

H2)

6

1Vcm^3 H2 t (min)

0 016 549 1066 1571 20

122 25151 30166 35195 40244 45250 50275 55301 60

0.5Vcm^3 H2 t (min)

0 011 536 1049 1553 2091 2593 30

103 35121 40133 45143 50148 55153 60

Como podemos observar en la gráfica, en una hora de operación, se obtuvieron alrededor de 600cm3 de gas, con únicamente 2V de energía. Podemos establecer un modelo matemático en función del tiempo que nos permitirá predecir el volumen de Hidrógeno.

(1)Donde t está en minutos y v en cm3. m y b tienen valores distintos para cada voltaje. Sin embargo, necesitábamos una relación de la producción de hidrógeno con el voltaje.

Estableciendo la relación lineal, uno esperaría que la ordenada al origen fuera igual a cero, ya que en t=0, la producción es igualmente nula y no negativa como lo marca la ecuación, cosa que es imposible. Este error se debe a las variaciones en los valores experimentales. Como se observa en la gráfica, la producción no es perfectamente lineal, sin embargo sí muestra una clara tendencia. Suponemos que las variaciones se debieron a que el voltaje suministrado no fue siempre constante. Es decir, la fuente de poder utilizada variaba un poco. Quizá si se utilizara un equipo más moderno podría obtenerse un coeficiente de correlación más cercano a 1. Podemos observar que con la disminución del voltaje, la producción también disminuye. Con las tres pruebas que se hicieron, 2V, 1V y 0.5V, pudimos obtener una relación entre el voltaje suministrado, el volumen de producción y el tiempo:

Relación de la pendiente con el Voltajependiente m de v vs t Voltaje (V)

2.67 0.55.20 1

10.55 2

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.20.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

f(x) = 5.26714285714286 x − 0.00500000000000078

pendiente de v vs t

Voltaje (V)

Pend

ient

e m

(v v

s t)

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Para obtener la relación de la pendiente con el voltaje suministrado podemos decir que:

(2)

Haciendo el mismo procedimiento graficando b contra el voltaje obtenemos que:

(3)

Con este dato, sustituyendo en la ecuación (1) y podemos obtener la ecuación (4):

vH 2=mt−b

vH 2=(5.26V )t−(−22 .14 V )

vH 2=V (5 .26 t+22 .14 )

Resultados de producción de energía

Tras inyectar el hidrógeno y el oxígeno en la celda, fue posible obtener una diferencia de potencial capaz de hacer funcionar un motor eléctrico. La potencia obtenida con la celda fue de aproximadamente 60mW.

Conclusiones y Criterios

El objetivo de este experimento era determinar si es posible implementar esta tecnología y sustituir a los motores de combustión interna. El automóvil eléctrico en el mercado que menos energía utiliza es el Mega e-City el cual necesita 9Wh para funcionar. Esto es 150 veces más que lo que nuestra celda produce. Sin embargo, esta celda mide 5.6 x 4.2 x 5.7 cm y pesa 63 gramos. Lo que nos hace pensar que una celda 150 veces más grande, que pesaría aproximadamente 9kg, podría fácilmente satisfacer esas necesidades energéticas demandadas por los automóviles.

Además, como esta celda funciona únicamente con Hidrógeno (único combustible) y Oxígeno (puede ser obtenido del aire), las emisiones al medio ambiente serían únicamente de vapor de agua. Actualmente no existen medidas de regulación de emisiones por la SEMARNAT que limiten las mismas. Según la NOM-041-SEMARNAT-2006 que establece los limites máximos de emisión de gases contaminantes provenientes del escape de vehículos automotores en circulación que usan gasolina como combustible, y la NOM-047-ECOL-1999 para la edición y verificación de los límites de emisión de contaminantes de vehículos, no existe una norma para la emisión de agua y oxígeno al ambiente.

Finalmente, podemos decir que esta tecnología tiene como única desventaja que el hidrógeno puede ser difícil de conseguir y de almacenar, y que la producción del mismo por electrólisis puede ser un poco tardada. Sin embargo pensamos que si esta tecnología fuera desarrollada más a fondo, fácilmente podría ser implementada y aliviaría de forma considerable las emisiones tóxicas al medio ambiente que se sufre hoy en día.

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Bibliografía y Referencias:

1.- Biografías de doctores de la corrosión [en línea]: Biografía de Sir William Grove. [Fecha de consulta: 15 de Mayo del 2012]. Disponible en: http://www.google.com.mx/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CIUBEBYwAQ&url=http%3A%2F%2Fcorrosion-doctors.org%2FBiographies%2FGroveBio.htm&ei=nJ-yT47NCYac2QXB8e2TBA&usg=AFQjCNFhFoVekS-RkF69k0so_OyNCfgCtw2.- h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH, Operating instructions. Reversible Fuel Cell.3.- Cano Castillo, Ulises, Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica, boletín iie, octubre de 1999.4.- Energy Efficiency and renewable energy[en línea]: Types of Fuel cells. [Fecha de consulta: 15 de Mayo del 2012]. Disponible en: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html5.- Celdas Galvánica y electrolítica [en línea]: Funcionamiento de celdas galvánicas y electrolíticas [Fecha de consulta: 15 de Mayo del 2012]. Disponible en: http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html6.Funcionamiento de una celda PEM: http://www.aficionadosalamecanica.com/motores-hidrogeno.htm[Fecha de consulta: 20 de Mayo del 2012]

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AnexoManual de operación de celda de combustible PEM

La celda PEM (membrana de intercambio iónico) es una celda reversible, lo que significa que puede hacer electrolisis y también funciona como una celda galvánica. Como celda electrolítica usa un voltaje externo para romper los enlaces de hidrógeno y oxígeno del agua. Como celda galvánica, produce energía eléctrica usando la reacción de hidrógeno con oxígeno.

Para usar la celda como una celda electrolítica:1.- La celda tiene cuatro entradas, dos en la parte inferior en lados opuestos, esas entradas son en donde se va a inyectar el agua destilada (se usa agua destilada ya que si tiene sales pueden corroer fácilmente a los electrodos).

2.- Se necesita tener dos tanques de almacenamiento, uno para el hidrógeno y otro para el oxígeno. Estos tanques pueden ser comprados con la celda o se puede usar jeringas sin émbolos llenos de agua para que el gas desplace el agua.

3.- Conectar con una manguera la salida de hidrógeno al tanque o jeringa. La salida de hidrógeno esta marcada en la celda y es una de las dos boquillas en la parte superior de esta.

4.- Repetir lo mismo pero para el oxígeno, notando en que boquilla de las dos superiores esta especificado la salida del oxígeno.

5.- Empezar el flujo de agua hacia la celda.

6.- Conectar la celda a la fuente de poder. La celda tiene dos entradas especificadas en donde van los caimanes que proporcionaran la energía para empezar la electrólisis.

Para usar la celda como celda galvánica.

1.- Desconectar la celda a la fuente de poder y remover las mangueras de las entradas de agua destilada.

2.- Conectar la celda con caimanes directo al motor de energía directa que se vaya a usar o a un voltímetro para ver cuanto voltaje produce.3.- Girar la celda 180º para que los orificios superiores se conviertan en los inferiores.

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4.- Inyectar los gases previamente obtenidos de la manera que fueron conectados inicialmente.

5.- Tener cuidado con el vapor de agua producido que saldrá por las boquillas superiores (en donde previamente estaban conectadas las entradas de agua destilada.

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