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Celda de Combustible PEMFC energía eléctrica a partir de hidrógeno

Celda de combustible PEMFC o PEFC Energía eléctrica a partir de hidrógeno

Átomo de hidrógeno

Una de las tecnologías de funcionamiento de las celdas de combustible PEMFC o PEFC, es el acrónimo de ‘celdas de combustible de membrana de intercambio de protones’. Esta celda, recibió su nombre debido a que su principal componente es una membrana polimérica que separa los electrodos y permite el paso de protones (iones) y es resistente al paso de corriente eléctrica, que actúa como un electrolito.

Esta tecnología de la celda de combustible, está en una etapa muy avanzada de desarrollo, pues se reconoce como la sustituta de los motores de combustión interna en automóviles y buses.

En esta página usted conocerá algunos de los principales componentes de la misma, así como su funcionamiento a través de una animación.

Componentes de una Celda de Combustible PEMFC o PEFCcomponentes de uma célula ou pilha a combustível PEMFC ou PEFC

Estos son algunos de los principales componentes de una celda de combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) o PEFC, seguidos de la descripción de sus correspondientes funciones.

Membrana de intercambio iónico

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

Fabricada de un material polimérico, conocido comercialmente como Nafion por ejemplo, cuando se hidrata permite la conducción de protones (iones H+) en su interior, que también actúa como un aislante eléctrico y separadora de gases combustibles y oxidantes.

Estas características son fundamentales para el funcionamiento de la célula de combustible, en caso de que en la membrana polimérica se presentara conductividad eléctrica, los electrones migrarían por ella, en lugar de por el circuito externo, causando un cortocircuito en la célula.

La conducción de los iones H+ en el interior del polímero se logra gracias a la forma en que fue concebido. Ella tiene dos fases distintas. 1) estructural y 2) responsable por la conducción iónica. Estructural: básicamente su esqueleto consta de Teflon, que es insoluble en agua y químicamente estable con las diferentes sustancias que interactúan con ellos en las condiciones de pH existentes en la celda (es decir, a diferentes niveles de acidez). Conducción Iónica: en esta cadena de Teflón, existen grupos ácidos que interactúan con el agua. Estos grupos ácidos proporcionan iones libres H + en el interior del polímero, y por lo tanto, conducen estos iones fácilmente cuando el potencial eléctrico se presenta en el funcionamiento de la célula.

Es fácil entender el funcionamiento del Nafion. Las soluciones ácidas (ácido diluído en agua) son buenos conductores de iones H+. Sin embargo, un líquido no puede separar dos volúmenes de gas sin generar nuevos problemas de ingeniería. Para superar estas barreras tecnológicas, se creó un material híbrido, un tipo de soporte insoluble que contiene en su interior grupos ácidos que forman núcleos pequeños de solución ácida que mantiene la característica conductora de iones H+ y, al mismo tiempo, proporciona una barrera física para la separación de los gases combustible y oxidante.

La necesidad de mantener la membrana hidratada, limitó la temperatura de funcionamiento, a presión ambiente, de celdas de tipo PEM a 100 ° C. En términos prácticos , ella opera en el rango entre 80 ° C y 90 ° C.

Electrocatalizador (electrodos)

Componentes da PEMFC ou PEFC - Eletro-catalizador - Eletrodo

Debido a la baja temperatura de funcionamiento de la célula PEM (menos de 100 ° C), es necesario usar metales nobles (Como platino o rutenio, reducidos a nano partículas) como catalizadores para lograr alcanzar corrientes eléctricas elevadas. Para entender por qué el uso de catalizadores o electrocatalizadores, usted debe entender lo que hace un catalizador y cómo interactúan el hidrógeno y oxígeno.

Por definición, un catalizador es cualquier sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin, a pesar de todo, ser consumidos en ella. En la celda de combustible, el hidrógeno llega en el ánodo (electrodo negativo) necesita ser adsorbido en la superfície del electrodo (en este proceso, ellos tienen su enlace roto, separando el protón del electrón), los iones H+ (protón) generados puede migrar a través de la membrana, llegar al otro lado y combinarse con el oxígeno, para formar agua como subproducto. En caso de queno hubiese un catalizador, el enlace de hidrógeno sería difícil de romper y una cantidad menor de iones H+ sería generada en el mismo intervalo de tiempo. En consecuencia, se produciría una corriente eléctrica mucho más pequeña (pues la corriente eléctrica es una medida directa de la velocidad de las reacciones químicas implicadas que la generan).

Se sabe que al aumentar la temperatura, hay un aumento exponencial de la velocidad de una reacción química. Por esto, hay un gran interés en las membranas modificadas para aumentar la temperatura de funcionamiento de la celda, consecuentemente la densidad eléctrica y así reducir la cantidad de material noble requerido para la generación de elevadas corrientes eléctricas.

Capas porosas difusoras de los gas y conductoras de electricidad

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

El electrodo es esencialmente una delgada capa catalítica (aplicada por aerografía, por ejemplo) que necesita ser apoyada por alguna estructura. Esta estructura es la capa de difusión de gases que, además de soporte mecánico, actúa también en la distribución homogénea de los gases en la capa catalítica. De esta manera ella garantiza el suministro de combustible y oxidante a todos los puntos catalíticos.

Es una parte importante, ya que la distribución homogénea de los gases es fundamental para todas las áreas catalíticas que participan de las reacciones químicas. En el actual estado del arte, ella se compone de una tela de carbono parcialmente teflonada para evitar que se empape y obstruya los poros con agua, dificultando el paso del gas. Esta capa también es responsable por la conducción de electrones, que se originan en la ruptura del enlace de hidrógeno en los sitios catalíticos, y son drenados por ella.

Retenedores

Componentes da PEMFC ou PEFC - retentores

Su función básica es la de evitar la fuga de gases reactivos hacia el medio ambiente y separar las placas de apoyo que, en caso de que entren en contacto, ocasionarían un cortocircuito.

Placas de apoyo y flujo de gases

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

Su función principal es hacer una primera distribución de gas a lo largo de la capa de difusión. Poseen serpentines mecanizados en sus caras, con el fin de maximizar la distribución de los gas y la eliminación del agua generada en el proceso de unión del combustible con el oxidante. También son responsables de mantener las capas juntas, prensadas entre ellas. Estas piezas, a pesar de ser de forma sencilla, son un desafío de ingeniería de materiales y procesos de fabricación. Las celdas PEMFC funcionan conduciendo iones H+, estos iones elevan la acidez interna de la celda, lo que resulta en un ambiente de pH cercano a cero y dificilmente un un metal resistiría a la corrosión en este medio. Otra necesidad de las placas, es que posean una elevada conductividad eléctrica, ya que ellas reciben toda la corriente eléctrica de la difusión de las capas porosas. La solución tecnológica disponible son placas hechas de carbono muy duras, difíciles de ser trabajadas y extremadamente frágiles a impactos.

Existen aleaciones metálicas especiales y compuestos de carbono flexibles que son candidatos para la composición de estas piezas, sin embargo, todavía son secretos industrials.

Ingeniería de funcionamiento de una celda de combustible PEMFC

El combustible es suministrado a la celda en el lado del ánodo en forma de moléculas de H2 (gas hidrógeno). Por una característica que lo hace único, el átomo de hidrógeno, en su isótopo más común, no posee electrones.

Al entrar en contacto con el catalizador, la molécula de hidrógeno (H2) se disocia en sus átomos en un reccción exotérmica (generación de calor) y cada uno de ellos pierde su único electrón. El electrolito de la celda de combustible es una membrana resistente al flujo de electrones (electricidad) y permeable a los iones de hidrógeno (protones), que migran al lado del cátodo que es alimentado con aire de la atmósfera rica en Oxígeno. Esta migración cambia el equilibrio eléctrico de la celda, lo que obliga a los electrones a emigrar por algún camino de menor resistencia, este flujo de electrones es la energía que utilizaremos para hacer el trabajo (encender la bombilla), la corriente eléctrica.

En el lado del cátodo, una molécula de oxígeno se disocia en dos átomos de este elemento. Cada átomo de oxígeno se une a dos iones de hidrógeno y dos electrones, formando una molécula de agua.

Eduardo Stefanelli

Engenheiro por profissão, professor por vocação