pilas combustible

Agradecimientos

Desde hace tiempo ya uno de nosotros habíamos pensado en el hidrogeno

como energía pero de manera muy vaga, cuando nos reunimos por primera vez

con nuestro equipo decidimos hacer “algo mas” en este proyecto, aunque los

primeros bocetos eran algo alocados y costosos. En las primera semanas

fueron muchos los problemas a afrontar hasta llego el dia en que

infortunadamente decidimos “dejar” nuestro proyecto en algo teorico por

razones de costos, cosa que en nuestro estado actual no era viable.

Fueron muchas las decisiones y las “jaladas de chuleta” que tuvimos para

hacer este humilde proyecto. Aunque en parte hemos copiado cosas de

algunas otras tesis y de libros hemos entendido que el futuro esta en esta

tecnología pero que infortunadamente por el momento es costosa.

Por todo ello y mucho mas queremos agradecer a todos y cada uno de los que

conformamos este equipo , por todos los días que nos quedamos “después de

la u” por esas veces que comíamos en la casa de alguien por “ahorrar comida y

pasaje”. Queremos también agradecer a nuestro profesores por alentarnos en

esos momentos difíciles de angustia y llevarnos por el camino correcto.

A nuestros compañeros que nos decían “pero si es barato” y nos alentaban a

seguir con este proyecto.

Por ultimo, aunque no menos importante, darle gracias a Dios por habernos

permitido llegar hasta aquí.

Muchas gracias a todos.

Proyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]

Resumen

La situación energética actual se basa en un modelo insostenible desde los

puntos de vista económico y medioambiental. La tecnología de las pilas de

combustible ofrece la posibilidad de disponer de energía de manera eficiente,

limpia y abundante, ya que el hidrogeno que utilizan para funcionar se puede

obtener de numerosas fuentes. Aunque existen numerosos tipos distintos de

pilas, las de hidrogeno son las que ofrecen mejores características para su

utilización en aplicaciones portátiles y de automoción.

En este proyecto se han estudiado los fundamentos de funcionamiento de una

pila de combustible de membrana de intercambio de protones. Se trata de un

sistema que consume hidrogeno y oxígenos para generar electricidad, calor y

agua.

La aplicación de esta celda de combustible con fin practico va dirigida hacia el

sector de la automoción por eso en este proyecto se diseña un prototipo de GO

KART, un hibrido de batería y celda de combustible.

Aunque infortunadamente no se pudo tener el proyecto en un prototipo real por

los costes que demanda importar los materiales necesarios y la escasez de los

mismo el presente proyecto se realiza en carácter teorico.

AbstractProyecto Terodinamica IIDiseño y Construccion de un Go Kart Hibrido [Bateria – Celda de Combustible]

The current energy situation is based on an unsustainable model from the point

of economically and environmentally. The technology of fuel cells offers the

possibility to have energy efficient, clean and abundant, since they use

hydrogen to run is available from numerous sources. Although there are many

different types of batteries, hydrogen are those that offer better features for use

in portable and automotive applications.

In this project we have studied the basics of operating a fuel cell proton

exchange membrane. It is a system that uses hydrogen and oxygen to generate

electricity, heat and water.

The application of this fuel cell so the practice is directed towards the

automotive sector in this project so designing a prototype of GO KART, a hybrid

battery and fuel cell.

Although unfortunately could not get the project in a real prototype for the costs

demanded by importing the necessary materials and the scarcity of this project

it is done in a theoretical one.

MOTIVACION Y OBJETIVOS


Este proyecto se centra en el estudio del diseño de una pila de combustible de

membrana de intercambio de protones, comúnmente conocida como pila PEM

(de sus siglas en ingles Proton Exchange Membrane)

Aunque existen numerosos tipos de pilas de combustible, cada una con sus

ventajas, inconvenientes y aplicaciones portátiles y de automoción. Este tipo de

dispositivo es capaz de generar electricidad a partir de hidrogeno proveniente

de diversas fuentes y de oxigeno de la atmosfera, produciendo como residuo

únicamente calor y agua.

Para estudiar el funcionamiento de la pila PEM, se ha partido de las ecuaciones

que regulan su comportamiento, valido para pilas que funcionan por debajo de

los 100 ºC.

Este modelo se centra en el funcionamiento de la pila de combustible

propiamente dicha, pero es necesario mencionar que el funcionamiento de este

tipo de dispositivos requieren el apoyo de una serie de sistemas auxiliares

(humidificación, ventiladores, compresores, bombas, reguladores e inversores),

cuya complejidad harian necesario un modelado aparte de cada uno de ellos y

cuyo modelado no se ha contemplado en este trabajo.

El diseño del go kart ha sido adaptado para un funcionamiento conjunto con la

pila de combustible tomando planos de dominio publico y aplicándolos a

nuestro modelo.


Debido a la gran extensión y complejidad que supone el diseño del go-kart para

un uso practico algunos características del vehiculo han sido afectadas en

menor o mayor medida y han sido modeladas de la mejor forma para no omitir

términos.

Los factores y parámetros que intervienen en la celda de combustible están

relacionados entre si de una manera mas “real” de acuerdo a nuestro criterio

por la dificultad de su diseño y la explicación del mismo.


PRIMERA PARTE

DESCRIPCION

Capitulo 1


INTRODUCCION

1.1 Interés del Hidrogeno como Vector Energético

No hará falta que transcurra muchos años para que nuestra generación y

las precedentes sean objeto de severas condenas por el colosal despilfarro

energético que han cometido en el último siglo, dedicando el petróleo a

combustible universal cuando de por si era materia propicia a convertirse

en centenares de productos más útiles y valiosos, que van desde los

plásticos hasta las parafinas, las esencias y tantas mas familias de

substancias provechosas. Huelga poner énfasis en el grandioso disparate

que es quemar petróleo cuando los resultados de hacerlo podrían

obtenerse de otras formas y procedimientos que no sean la mera

combustión de hidrocarburos.

Al hablar de desatinos no puede dejar de mencionarse otro similar y acaso

tan grave o mas que se esta cometiendo con el empleo abusivo de la

madera, devastando cada año miles y miles de kilómetros cuadrados de

bosques y selvas cuya significación para el equilibrio planetario no hace

falta subrayar. Se pudo ser tolerante con edades antiguas obligadas a talar


arboles para procurarse leña y madera, pero cada dia podemos serlo

menos con el uso de estas para pasta de papel y para fabricar estructuras y

muebles que cabe obtener con otros materiales, algunos procedentes del

reciclado.

Se esta poniendo de manifiesto cada dia mas que los grandes beneficios

de ciertas empresas consisten a menudo en las sustracciones que

perpetran en el patrimonio común.

Sin duda, serán los contados países atrasados que disponen de grandes

pozos de petroleo y plutocráticas elites gobernantes quienes defenderán

que se siga usando este combustible hasta la ultima gota, formando coro a

veces con marcas automovilísticas y variadísimos intereses que se lucran

de que la economía actual del trasporte continue como ayer. La resistencia

de los restantes focos de contaminación ambiental, rebeldes a los acuerdos

de Kioto, testifica lo vigorosos y testarudos que son los sectores que

propugnan la continuidad empavida en los errores y abusos precedentes.

1.2 El hidrogeno como alternativa

Llegados a este punto y enfrentados a una situación energética que tocara

fondo dentro de no demasiado tiempo, se hace necesaria la búsqueda de

alternativas que permitan seguir disfrutando de la calidad de vida actual. El

sistema sostenible que cabria esperar se basara en las fuentes de energía

renovables, pero esta opción no se puede aplicar en todos los campos. En

automoción, por ejemplo, seria inviable utilizar paneles solares o

aerogeneradores como única fuente de energía de los vehículos.

Ante esta situación, el hidrogeno y las pilas de combustible se presentan

como una alternativa para la aplicación de transporte, hogares

autosuficientes, generación estacionaria de potencia y hasta misiones

espaciales.


El hidrogeno se viene utilizando desde hace años en la industria química y

petroquímica; se utiliza para procesamiento y refinado de combustibles

fósiles, así como en la síntesis del amoniaco. También se utiliza en

aplicaciones tales como agente hidrogenante de alimentación, producción

de diversos ácidos, agente reductor de metales y como escudo de gas de

soldadura.

Desde el punto de vista de la ingeniería es interesante mencionar que se

utiliza como elemento refrigerante en generadores eléctricos (debido a su

elevada conductividad térmica), asi como investigación criogénica y

superconductividad; además, sus isotopos tienen un sinfín de aplicaciones.

1.3 Vector Energético

El atomo hidrogeno esta formado por un proton y un electron y en

condiciones normales se presenta como un gas estable en moléculas

diatómicas es incoloro, inodoro, insípido y no toxico.

Es el elemento mas abundante del universo y su capacidad de reaccionar

con el oxigeno liberando energía lo convierte en un excelente combustible.

Sin embargo, no se encuentra en estado puro en la tierra, y para obtenerlo

es necesario aplicar energía; por este motivo no se considera a este

elemento como una fuente de energía, sino que mas bien un vector

energético.

Entre las ventajas del hidrogeno cabe mencionar la nula producción de

emisiones de CO2 (solo se produce agua) y su elevada volatilidad, lo cual

lo convierte en un combustible muy seguro en espacios abiertos. Además

de su baja densidad, el hidrogeno tiene una baja energía de activación, es

decir: se necesita muy poca energía para que entre en combustión, lo que

en función de los objetivos que se persigan puede comenzar como ventaja:

si se quiere comenzar con una reacción de combustión; o como desventaja:

resulta mas fácil que se inicien combustiones no deseadas.

1.4 Generacion de Hidrogeno


La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que

requieren la separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el

carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua).

El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fósiles

(habitualmente hidrocarburos) - compuestos de carbono e hidrógeno- por

medio de procesos químicos.

El hidrógeno también puede ser obtenido del agua por medio de producción

biológica en un biorreactor de algas, o usando electricidad (por electrólisis-

electrolisis del agua)- químicos (por reducción química) o calor (por

termólisis); estos métodos están menos desarrollados en comparación con

la generación de hidrógeno a partir de hidrocarburos pero su crecimiento

aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dióxido de carbono permiten

reducción la contaminación y el efecto invernadero. El descubrimiento y

desarrollo de métodos más baratos de producción masiva de hidrógeno

acelerara el establecimiento de la denominada economía de hidrógeno.

Capítulo 2

La pila de combustible de


http://es.wikipedia.org/wiki/Econom%C3%ADa_de_hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Term%C3%B3lisis

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Reducci%C3%B3n-oxidaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolisis_del_agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisis

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor

http://es.wikipedia.org/wiki/Producci%C3%B3n_biol%C3%B3gica_del_hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Producci%C3%B3n_biol%C3%B3gica_del_hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburos

http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible_f%C3%B3sil

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Elementos_qu%C3%ADmicos

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

Membrana de intercambio de protones (PEM)

2.1. Introducción

Una pila de combustible o Fuel Cell es un dispositivo electroquímico de

conversión de energía. La pila de combustible convierte el hidrógeno y el

oxígeno en agua, en esa transformación se genera electricidad.

Mediante un proceso de combustión fría, convierte la energía química de un

combustible en energía eléctrica útil, además de calor y agua pura, todo ello sin

un proceso de combustión como paso intermedio. Estas pilas de combustible

están formadas por dos electrodos separados por un electrolito, y generan

electricidad siempre que se les provea de combustible y oxígeno. Pueden

utilizar hidrógeno puro de forma directa, o cualquier combustible (gasolina,

metanol, metano, hidrógeno, etanol, gas natural, gas licuado, etc.), que permita

obtener gas rico en hidrógeno mediante un proceso interno de reformado.

Otro dispositivo electroquímico con el que estamos más familiarizados es la

batería. Una batería contiene dentro de sí misma, todos los elementos que

necesita para producir la electricidad. Esto significa que cuando se agotan,

tienes que recargarla o reemplazarla por otra.

Con la pila de combustible, los elementos químicos fluyen constantemente

dentro de la misma, por lo que nunca se agota. Siempre que se produzca ese

flujo químico, se generará electricidad. El elemento principal es la célula de

combustible. Hay diferentes tipos de células de combustible, según el proceso


químico (electrolito) que utilicen para producir electricidad. Unas son más

adecuadas para plantas generadoras, otras son más indicadas para

aplicaciones portables o para ser utilizadas en los coches.

La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (proton

exchange membrane fuel cell o PEMFC) es una de las tecnologías más

prometedoras. Veamos cómo funciona…

Membrana de Intercambio de Protones

El ánodo, borne negativo de la célula, cumple varias funciones. Por un lado

conduce los electrones liberados por las moléculas de hidrógeno de forma que

ese flujo pueda ser aprovechado por un circuito externo. Está repleto de

pequeños canales que dispersan el gas de hidrógeno por toda la superficie del

catalizador.

El cátodo, borne positivo de la célula, también está repleto de pequeños

canales para distribuir uniformemente el oxígeno en la superficie del


catalizador. Conduce los electrones del circuito externo al interior de la célula,

donde pueden recombinarse con los iones de hidrógeno y de oxígeno para

producir agua.

El electrolito es la membrana de intercambio de protones (PEM). Un material

especialmente tratado para conducir únicamente los iones cargados

positivamente. La membrana bloquea el paso de los electrones.

El catalizador es un material especial que facilita la reacción entre el oxígeno y

el hidrógeno. Suele consistir de un papel carbón o tela fina impregnada de

polvo de platino. El catalizador es áspero y poroso para ofrecer la máxima

superficie de platino a las moléculas de oxígeno e hidrógeno.

2.2 Funcionamiento

El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de

combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en

contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y

dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo,

recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de

arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el

cátodo.

Mientras tanto, en el lado del cátodo, se fuerza el paso del oxígeno al


catalizador, lugar en el que se descompone en dos átomos. Cada uno de estos

átomos posee una fuerte carga negativa que atrae a los dos iones de

hidrógeno (H+) que atraviesan la membrana combinándose, cada uno de ellos,

con un átomo de oxígeno y con los dos electrones que provenían del circuito

externo, constituyendo una molécula de agua (H2O).

Esta reacción en una sóla célula produce una tensión de 0.7 voltios. Para

conseguir una tensión mayor, lo que se hace es combinar varias células

formando una pila de células (pila de combustible). Las constantes

innovaciones que se están realizando tanto en el diseño como en los

materiales, permiten que, hoy en día, una pila del tamaño de una maleta

pequeña pueda hacer funcionar un coche.

2.3 Problemas con la Pila de Combustible


Hasta aquí todo parece muy bonito, sin embargo, no todo es perfecto.

Hemos visto que la célula de combustible necesita de un flujo constante de

oxígeno e hidógeno para funcionar. El oxígeno requerido proviene del aire. De

hecho, en una típica célula PEM, el aire exterior se inyecta directamente dentro

del cátodo. Lamentablemente, el hidrógeno no está disponible tan fácilmente y

se necesita consumir mucha energía para producirlo. El hidrógeno también

presenta importantes limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, no hay

surtidores de hidrógeno cerca de tu casa donde poder repostar.

El hidrógeno es difícil de almacenar y de distribuir. Sería interesante poder usar

un combustible en las pilas que fuera más fácil de conseguir. Esto es lo que

realizan unos dispositivos denominados reformadores. Un reformador,

convierte hidrocarburos o alcohol en hidrógeno que, a su vez, puede ser usado

en la pila de combustible. Lamentablemente, los reformadores no son tampoco

perfectos: producen calor y generan otros gases además del hidrógeno.

Además, el hidrógeno generado no es del todo puro, con lo que la eficiencia

desciende considerablemente.

Algunos de los combustibles más adecuados para obtener hidrógeno son el

gas natural y el metanol. Mucha gente dispone en sus casas de gas natural o

bombonas de propano que se podrían utilizar para alimentar pilas de

combustible en el hogar. El metanol, por otra parte, es un combustible líquido

similar a la gasolina y puede ser utilizado en pilas de combustibles para los

coches. Es fácil de transportar y de distribuir. Podría convertirse en el candidato

ideal para hacer funcionar a los coches con pila de combustible.

2.4 El primer automóvil a hidrógeno fabricado en serie


El motor de este BMW de la Serie 7, con doce cilindros y propulsado con

hidrógeno tiene una potencia de 150 kW, una aceleración de 0 a 100 km/h en

9,6 segundos, y alcanza una velocidad máxima de 226 km/h. Gracias a su

tanque criogénico de 140 litros, tiene un alcance de 350 kilómetros. A ello se le

suma una alimentación convencional a nafta, que - en virtud de la aún muy

incompleta red de suministro con hidrógeno - permanece siempre a bordo. El

motor sólo tiene una diferencia sustancial respecto de los convencionales: tiene

válvulas inyectoras adicionales para el hidrógeno.

Ventajas

-Nula emisión de contaminantes.

-Prestaciones equiparables a las de un automóvil convencional.

-Consumo y mantenimiento inferior al de cualquier coche actual.

Desventajas

-Peso elevado de la pila de combustible, que se instala en los coches-prototipo.

-Carencia de infraestructuras para el suministro de hidrógeno, metanol o gas

natural.

-Fiabilidad todavía por demostrar de diversos elementos.

-Elevado costo, debido a la escasa producción de algunos componentes. Hoy,

un coche con pila de combustible cuesta aproximadamente un 30% más que

uno de gasolina o diesel con prestaciones similares.

-La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en

los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a

ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o

como fuente de energía alternativa. No obstante, estos prototipos todavía son

demasiado pesados y costosos, porque las pilas de combustible resultan


voluminosas, pesadas y caras. En Estados Unidos, los tres mayores

fabricantes de automóviles desarrollan en cooperación con compañías

especializadas, sus propios automóviles con sistema de pila de combustible.

Capitulo 3

Membrana de Intercambio de Protones

La diferencia fundamental entre la pila PEM y el resto radica en el electrolito

empleado.

Se trata de una membrana polimerica de entre 75 y 150 micras que recibe el

nombre comercial de Nafion, fabricado por Dupont, que es un derivado del

Teflon cuya estructura se muestra en la Figura 1.

Desde los inicios de la pila de combustible, la funcion que desempenaba la

membrana era la de proporcionar una barrera a los gases reactantes, y al

mismo tiempo una buena conductividad ionica. En las primeras aplicaciones se


utilizaron acidos fuertes para proporcionar contacto entre las membranas y las

superficies cataliticas, pero en posteriores desarrollos se demostro que las

celdas individuales funcionaban mejor sin la presencia de acidos, debido

fundamentalmente a problemas de corrosión.

Como resultado de las experiencias acumuladas, las actuales pilas PEM solo

utilizan como electrolito la propia membrana hidratada.

En general, un electrolito comun es una sustancia que se disocia en iones

cargados positiva y negativamente en presencia de agua, haciendo por ello que

la solucion acuosa sea conductora de la electricidad debido al propio

movimiento de los iones. Pero en el caso de las pilas PEM el electrolito usado

es un tipo de plastico similar en apariencia a las películas usadas en el ambito

domestico para envolver alimentos y, como se ha mencionado antes,

recibe el nombre comercial de Nafion. Las membranas de este material poseen

una extraordinaria estabilidad química y térmica, y soportan la acción de

numerosos agentes oxidantes o reductores, asi como temperaturas

relativamente elevadas. El electrolito de las pilas PEM es un tanto peculiar, ya

que para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo esta debe

mantenerse humedecida en todo momento, de manera que el agua es

absorbida por la membrana para que, debido a la estructura quimica del Nafion,


los iones negativos queden retenidos dentro de el, mientras que solo los iones

positivos contenidos en la membrana son moviles y libres para llevar

carga positiva desde el anodo hasta el catodo.

En las PEM estos iones positivos son iones hidrogeno o protones, de aqui la

designacion “Membrana de Intercambio de Protones”. Este movimiento de

cargas positivas en una sola dirección dentro de la pila de combustible es

esencial para su correcto funcionamiento, ya que sin este circuito formado por

la celda, la conexion entre electrodos y la carga permaneceria abierto y no

circularia corriente alguna.

Aunque por requerimientos del diseno de las pilas de combustible las

membranas de Nafion son muy delgadas, constituyen un medio muy efectivo

de separacion entre los gases reactantes; puede mantener separados el

hidrogeno (combustible) del oxigeno (oxidante), lo que representa una

caracteristica fundamental para el buen funcionamiento de la pila.

Como se ha comentado anteriormente, este tipo de membrana polimerica

constituye un buen conductor ionico, pero no asi de electrones, ya que su

naturaleza organica los convierte en buenos aislantes electricos. Debido a esta

propiedad aislante, los electrones producidos en el anodo del dispositivo deben

desplazarse a traves de un circuito externo para poder llegar al catodo y

alimentar asi a la carga con la que interesa trabajar.

La membrana de electrolito polimerico es un polimero organico solido

compuesto por acido poli – perfluorosulfonico, y en el caso del Nafion consta de

tres zonas bien diferenciadas :

_ Una cadena principal de fluorocorbonos (Teflon), repetida cientos de veces.

_ Cadenas laterales que conectan la cadena.

_ Grupos ionicos formados por grupos sulfonicos.

El Teflon (Politretrafluoroetileno, o PTFE), en un polímero resistente al ataque

químico y fuertemente hidrófobo, propiedad en la que se basa su utilización en

la construcción de electrolitos para pilas de combustible para eliminar el agua

obtenida en la oxidación del hidrogeno, evitando asi el encharcamiento del

mismo. Pero para obtener el electrolito como tal es necesario anadir otra fase

adicional. El polimero PTFE se sulfata, y en uno de los lados de la cadena se


anade un grupo sulfonicos HSO3. Este grupo se enlaza ionicamente,

obteniendose al final de la cadena lateral un ion SO3.

Como consecuencia de la presencia de estos iones y de los H+, se produce

una fuerte atraccion entre los iones positivos y negativos de cada molecula, de

manera que se forman una serie de agrupaciones dentro del material. El acido

sulfonico es fuertemente hidrofilo, encontrandose en el interior de una

estructura hidrofoba. La region hidrofila localizada alrededor de los agregados

de cadenas laterales sulfonadas puede absorber grandes cantidades de agua,

de manera que dentro de estas regiones hidratadas los protones son

debilmente atraidos por los grupos SO3 y gracias a ellos son

capaces de desplazarse. Esta morfologia de microbases separadas esta

esquematizada en la Figura 1.

Por lo tanto, puede resumirse que el Nafion es un material con alta resistencia

mecánica y quimica, y que puede absorber grandes cantidades de agua, de

manera que permite a los protones moverse dentro de el con cierto grado de

libertad. Sin embargo, la conductividad ionica del Nafion aumenta a medida que

lo hace la humedad relativa, pero no asi con el incremento de la temperatura,

ya que este se ve incapaz de retener agua a temperaturas superiores a los

800 C. Este ultimo es un factor determinante en el diseno de las pilas de

combustible tipo PEM.

3.1 Catalizadores en las pilas PEM. Adsorcion del Hidrogeno

El catalizador que mejor trabaja en ambos electrodos de la pilas PEM es el

platino, un material extremadamente costoso y que encarece enormemente

estos dispositivos.

Una vez que el combustible (hidrogeno), atraviesa la capa de difusion de la pila

y llega al anodo, este se encuentra con una capa de electrolito basada en

platino, el cual cataliza la disociacion de la molecula de combustible en dos

atomos de hidrogeno enlazados con dos atomos de platino. En este momento,

cada atomo de hidrogeno libera un electron para formar un ion hidrogeno H+,

de acuerdo con las siguientes reacciones:


Este proceso de entrada en contacto del hidrogeno con el platino recibe el

nombre de adsorcion, y esta representado de forma esquematica en la figura 1.

Una vez disociado el hidrogeno, los electrones son conducidos a traves de un

circuito externo para alimentar una carga, mientras que lo iones de hidrogeno

atraviesan la membrana polimerica de Nafion hasta llegar al catodo, donde

reaccionan con los electrones del circuito externo y el oxigeno para generar

vapor de agua.

3.2 Ensamblaje Membrana polimerica-Electrodos. Placas de

Difusion

Resulta habitual denominar Membrana Electrode Assembly al conjunto formado

por el ensamblaje Anodo/Electrolito/Catodo, mas conocido como MEA

(Ensamblaje de Membrana y Electrodos). Como se ha comentado en el

epigrafe anterior, la fabricacion de los conjuntos MEA ha evolucionado mucho

desde los programas de la NASA de los años 60, pero a dia de hoy se sigue

denominando a estos ensamblajes como MEA3, que incluyen dos electrodos y

membrana electrolitica; o MEA5, que incluyen los dos electrodos,

membrana electrolitica y placas de difusion de gases.


En contra de lo que en un principio podria pensarse los electrodos de un

conjunto MEA no se fabrican como tales para las pilas PEM. Se trata en

realidad de un complicado proceso de union entre el material de los electrodos,

la membrana polimerica y el catalizador, y afirmar que estos componentes

existen por separado resulta admisible solo a nivel docente, ya que en realidad


se encuentran “impregnados” unos sobre otros. El modo de construir un

conjunto MEA depende del fabricante, pero se puede decir que una de las

formas de fabricacion mas estandarizada se lleva a cabo en Los Alamos

National Laboratory .

Las Capas de Difusion de Gases, llamadas en ingles “Backing Layers”, estan

situadas una junto al anodo y otra junto al catodo. Habitualmente se fabrican en

un material poroso de tela de grafito con espesor determinado, de modo que

sean capaces de conducir los electrones en su desplazamiento a traves del

circuito externo. La Figura 3 representa la estructura porosa de estas capas y

como se situan en el esquema general de la pila.


Figura 3: Esquema de las Capas de Difusion de Gases. Los gases reactantes penetran en el

apilamiento y se distribuyen uniformemente por la mayor parte de la superficie de los electrodos

catalizados.

Las capas de difusion de gases son fundamentales para el funcionamiento de

las pilas de combustible, y cumplen basicamente cuatro funciones:

Facilitar la difusion del gas hasta los electrodos.

Soportar mecanicamente el conjunto MEA3.

Ofrecer un camino de salida del anodo y entrada al catodo a los

electrones.

Extraer el agua producto de la reduccion en el catodo.

Estas capas de difusion estan situadas entre las placas bipolares (de las que

se hablara en el siguiente epigrafe), y los electrodos catalizados, de manera

que su naturaleza porosa asegure una difusion efectiva de cada gas reactivo

en el catalizador. La difusion se refiere al flujo de moleculas gaseosas desde la

zona de alta concentracion , en el lado exterior de la Backing Layer por donde

fluye el gas reactante, hacia la region de menor concentracion, el lado interior

de la capa de difusion pegada a la capa del catalizador donde el gas es

consumido en la reaccion.

Se trata, pues, de conseguir que los gases reactantes se distribuyan de tal

manera que consigan alcanzar la superficie completa del catalizador y, de este

modo, aprovechar al maximo su superficie.

Las capas de difusion tambien contribuyen en la gestion del agua de la pila.

Como se habia comentado, tanto un deficit como un exceso de agua pueden

hacer que el dispositivo deje de funcionar. De la eleccion de un buen material

depende que la cantidad de agua de la PEM sea la adecuada para lograr que

la membrana se mantenga hidratada, permitiendo tambien que el agua liquida

producida en el catodo sea expulsada de la celda sin llegar a inundarla.

Las capas de difusion estan a menudo impermeabilizadas con Teflon para

intentar asegurar que la mayoria de los poros del carbono del que estan hechas


las Capas de Difusion no se inunden de agua, lo que impediria una correcta

velocidad de reaccion de los gases en los electrodos.

3.3 Placas bipolares

Prensados contra cada una de las dos capas de difusion de gases - tambien

llamadas capas de apoyo o soporte – se encuentra otro componente de la

celda elemental de un pila de combustible PEM.

Figura 3: Estructura basica de una placa bipolar (izda.), y ejemplo real de placa de material

compuesto carbono-carbono (dcha.), fabricada por el Oak Ridge Nacional Laboratory (U.S.

Department of Energy) .

Las placas bipolares son los componentes situados en los extremos de una

celula, y deben estar fabricadas de un material ligero, fuerte, conductor de

electrones e impermeable al gas. Entre los materiales mas comunes se

encuentra el grafito y algunos metales, pero a todos ellos se une la dificultad de

evitar las fugas de hidrogeno, ya que se trata de un gas extremadamente

volatil. Las labores de mecanizado suelen ser muy delicadas y complejas,

sobre todo con el empleo del grafito; y el uso de algunos aceros implica riesgos

de corrosion y fragilidad.

Basicamente, las placas bipolares desempeñan dos funciones:

Proporcionar un canal de flujo al gas reactante.


Servir de colectores de corriente.

La cara de la placa bipolar situada junto a la capa de difusion de gas esta

dotada de unos canales situados sobre su superficie .Estos canales transportan

el gas reactante a lo largo y ancho de toda la superficie de la capa difusora

correspondiente.

Tanto el diseno de estos canales “estampados”, como su anchura y

profundidad tienen un efecto muy importante en la distribucion uniforme de los

gases sobre la superficie catalizada del MEA, asi como en el suministro y

evacuacion del agua en todo el dispositivo.

Esquema de una celda elemental completa.

Los electrones producidos en la etapa de oxidacion del hidrogeno deben ser

conducidos a traves del anodo, la capa de difusion de gases y la placa bipolar,

desplazarse a lo largo del circuito externo y reentrar de nuevo en la celula a

traves de la placa bipolar del catodo.


3.4 Concepto de Apilamiento de Celdas Elementales

Tal y como se ha comentado a lo largo de este capitulo las celdas elementales

funcionan por debajo del 100% de eficiencia; la tension de salida de una celula

elemental ronda los 0.7V, y su eficiencia no es mucho mayor del 60%.

Ya que la inmensa mayoria de las aplicaciones necesitan tensiones mucho

mayores, la tension necesaria de obtiene conectando en serie las celdas

elementales y formar asi un apilamiento denominado Fuel Cell Stack; esto es lo

que finalmente se conoce como Pila de Combustible, propiamente dicha.

Para evitar en la medida de lo posible un aumento del precio y del peso del

dispositivo, las celdas elementales se unen entre si mediante las placas

bipolares, de manera que se utiliza una sola placa con doble canalizacion entre

cada una de las superficies activas según se indica en la Figura 25. Es

importante reiterar que estos elementos estan fabricados con materiales

impermeables al gas, ya que de otro modo los gases reactantes podrian

mezclarse y reaccionar antes de tiempo, por lo que los electrones obtenidos no

se podrían aprovechar.

Lo metodos de fabricacion de las placas bipolares son poco conocidos, ya que

en la mayoria de los casos suelen ser patentes protegidas. Sin embargo, son

procedimientos caros debido fundamentalmente a que tienen una cierta

“componente artesanal”. Sin embargo, se sabe de la existencia de metodos de

fabricacion que prometen menores costes y amplias posibilidades de

automatización.


Union de celdas elementales mediante placas bipolares de doble

canalizacion.

En cualquier caso y a corto plazo, el area de una celda puede variar entre unos

pocos cm2 hasta superficies mayores; una pila puede tener unas pocas celdas

apiladas o cientos de ellas conectadas en serie mediante placas bipolares, y

para aplicaciones en las que se necesita gran potencia se pueden usar varios

stacks combinados en serie o en paralelo.

3.5 Diseño del apilamiento.

De acuerdo con todo lo que se ha visto hasta ahora, queda claro que son

numerosos los parametros que hay que tener en cuenta a la hora de disenar

una pila de combustible. Aunque existen varios tipos de configuraciones, la

mas comunmente utilizada en las Pilas de Membrana de Intercambio de

Protones es la de las placas bipolares. Y sin embargo, los materiales y

metodos de fabricacion usados difieren solo ligeramente unos de otros. En esta

configuracion, una sola placa bipolar conductora esta en contacto con el anodo

de una celda y el catodo de la adyacente, dejando de este modo ambas celdas


conectadas en serie. Ademas, esta configuracion aporta perdidas electricas

minimas al total del sistema.

Interconexion vertical de celdas mediante el metodo de la placa bipolar.

Debido a la complejidad de un sistema electroquimico de generacion de

potencia, se tienen que tener en cuenta numerosos factores y limitaciones para

poder desarrollarlo correctamente. Estas limitaciones son las siguientes:

Tamano, peso y volumen

Costes

Temperatura de operacion

Gestion del agua y Humidificacion

Presiones parciales de combustible y oxidante

Tipo de pila y almacenamiento


Principio de apilamiento de un “stack” de pilas de combustible

Capitulo 4

Diseño mecánico del go-kart

4. Introduccion

El interés de utilizar la pila de combustible para un fin practico nos llevo a

nuestro equipo hacernos la pregunta “¿y para que serviría la pila de

combustible?” una pregunta un poco vulgar pero bastante objetiva.

Como se mencionó en capítulos anteriores la concienciación

medioambiental y los regímenes de contaminación nos hicieron pensar

en un fin practico y utilitario para nuestra pila de combustible es por eso

que utilizamos una plataforma “go-kart” para darle practicidad y

funcionalidad.

Aunque en fase de prototipo nuestra idea original era crear una

plataforma móvil que pudiese al menos llevar a una persona promedio.

En el presente capitulo presentamos el diseño y el modelado de nuestro

go-kart.


4.1. Diseño del go-kart

Los planos los hemos tomado de un servidor de dominio publico

“kartbuildings.com” y los hemos adecuado a nuestra pila de combustible

y al pequeño motor eléctrico de corriente continua que utilizaríamos para

dar movimiento a nuestro coche.

Un gokart común se presenta en la figura 4.0

Figura 4.0 go-kart monovolumen de 1 plaza


Para nuestro go-kart hemos utilizado la siguiente estructura:

El problema con el que nos enfrentábamos ahora era: “¿el peso en seco aumentaría entonces tendríamos que utilizar una celda mas grande?”.

Decidimos entonces convertir nuestro go-kart en un hibrido.

Decidimos utilizar la misma disposición de compañeros nuestros para el modelado en la figura 4.1 se muestra la ilustración utilizada para tal fin.


4.2. Sistema de controlEn el esquema se presenta un “sistema electrónico de control” este

no permite el flujo de corriente de las baterías a la pila de

combustible, esto es con el fin de proteger de daños por sobrecarga

a la pila de combustible. El sistema de baterías de respaldo utilizado

en este trabajo consiste de tres baterías comerciales, recargables

selladas de plomo/ácido de 6 V y 12 Ah conectadas en serie. Las

baterías de plomo ácido presentan la desventaja de ser de alto peso,

sin embargo fueron utilizadas debido a su disponibilidad comercial.

Para futuras aplicaciones se deberán integrar baterías recargables

de última generación (baterías recargables de litio) o

supercapacitores. Fundamentalmente se requiere que este sistema

de respaldo/ alimentación posea elevada densidad energética, alta

eficiencia y ciclos de carga rápidos.


Capitulo 5

Conclusiones y trabajos futuros

5.1. Conclusiones

Con toda la información recopilada y el diseño hecho se puede sacar las

siguientes conclusiones:

Las variaciones de humedad en la pila de combustible pueden

afectar la eficiencia, el rendimiento y la vida útil de la misma.

La pila de combustible es una tecnología emergente debido a su

alto costo de producción.

La pila de combustible es una manera de obtener energía limpia

(emisión cero) es una de las tecnologías que tiene auge en estos

días.

La venta actual de pilas de combustible mediante fabricantes

homologados es escasa y cara bordeando los 2000$

norteamericanos.

5.2. Trabajo Futuros


La tecnología de pilas de combustible es tan extensa que resulta

complicado hacer un estudio de la misma en un solo trabajo, como

puede ser este proyecto.

Para que un sistema completo basado en una pila de combustible

funcione correctamente, es necesario incluit una serie de subsistemas

que se fundamenten en muy diversas especialidades de ingeniería.

Como estudiantes de ingeniería mecánica después de haber

profundizado en este tema tan extenso de las pilas de combustible,

hemos de reconocer que seria necesario seguir trabajando en el

modelado de todos estos sistemas auxiliares que acompañan a este tipo

de dispositivos, pero un trabajo de este calibre bien merece un proyecto

aparte.

Los subsistemas que intervienen en el funcionamiento de las pilas de

combustible de membrana de intercambio de protones se componen de

un sistema de humidificación, ventiladores, compresores, reguladores,

convertidores e inversores. Todos ellos son externo al propio

apilamiento, y al mismo tiempo resultan fundamentales para su

funcionamiento.

Para el diseño del go-kart se hizo un coche un poco (debemos decirlo)

burdo y pobre debido a los costos que implicaría pero al ser un proyecto

netamente teorico (infortunadamente) se ha utilizado todos los planos y

diseños en su totalidad para la mejor apariencia y funcionalidad posibles

a nuestro conocimiento.

Los problemas que usualmente enfrentamos al principio fueron el

diseño y la forma de construirlo, este tipo de construcción requiere mas

conocimiento de otras áreas extensas de ingeniería como materiales,

resistencia, eléctrica , dinámica y un muy largo etc…

El diseño de un go-kart completamente funcional y eficiente habría sido

tema de otro proyecto, aunque no dejamos de dar énfasis en este tipo de

puntos.


Bibliografía

El hidrogeno fundamento de un futuro equilibrado- Mario Arguer Hortal,

Angel L. Miranda Barreras.


Tesis : descripción y modelado de una pila de combustible de

membrana de intercambio protónico- Antonio Mayandia Aguirre

La economía del hidrogeno – Jeremy Rifkin.

Tesis : la energía del futuro: la pila de hidrogeno – Carlos Garcia

Saura, Daniel Fernandez Louro

Monografías Enerxe: Volumen III : pila de combustible de membrana

de intercambio protónico.

Termodinámica – Cengel, Boylestad

El hidrogeno y la energía – Jose Ignacio Linares Hurtado, Beatriz

Yolanda Moratilla Soria


pilas combustible

Documents