MX2012008342A - Celdas de combustble. - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, las cuales son útiles para transformar la energía química de los gases reactivos directamente en electricidad sin pasar por una etapa de energía térmica.

Description

CELDAS DE COMBUSTIBLE Campo de la invención La presente invención pertenece al campo técnico de las celdas de combustible; más particularmente pertenece al campo técnico de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones.

Estado de la técnica Una celda y/o pila de combustible es un dispositivo electroquímico que permite transformar la energía química de los gases reactivos (oxidación de un combustible y reducción de un oxidante), directamente en electricidad sin pasar por una etapa de energía térmica. Los agentes químicos de oxidación y reducción se conducen por electrodos porosos en forma continua.

Las pilas y baterías secas primarias, y los acumuladores secundarios se diferencian de las celdas de combustible, en que los reactivos se encuentran almacenados en los electrodos y electrolitos, por lo que su cantidad y potencial están limitados. En los acumuladores secundarios los productos generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. En las pilas y baterías secas primarias esto no resulta posible, ya que los procesos químicos que se desarrollan durante la generación de energía eléctrica son irreversibles.

Una celda de combustible desde el punto de vista físico, consta de dos electrodos con estructuras porosas (ánodo y cátodo) separados por un electrolito.

El combustible (hidrógeno) es conducido en forma continua hacia el ánodo y el oxidante (oxígeno o aire) es conducido en forma continua hacia el cátodo. El electrolito solo puede usar conductores iónicos como ácidos, bases y sales.

En el caso de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), sus componentes básicos pueden ser resumidos en: dos electrodos con estructuras porosas impregnados con un electrocatalizador generalmente a base de platino para crear sitios activos de reacción; una membrana conductora de protones; dos placas polares como distribuidoras de flujo de gases reactivos; y dos electrodos de soporte como colectores de corriente. Estos componentes además de tener más de una función, proporcionan un gran contenido de diseño y fabricación, que sin ellos, el gran desempeño práctico que realizan no se habría alcanzado.

El centro de celda de la celda de combustible es el llamado ensamble membrana-electrodo (MEA, por sus siglas en inglés). En su forma más simple, el electrodo de este ensamble es una típica capa delgada entre 150-200 µp? de espesor, la cual contiene nanopartículas de platino dispersas. La acción del electrocatalizador tiene como función esencial promover la oxidación del hidrógeno en el ánodo (HOR, por sus siglas en inglés) y la reducción del oxígeno en el cátodo (ORR, por sus siglas en inglés) [L. Gerbaux, "Modélation d'une pile á combustibles de type hydrogéne-Air et validation expérimentale" Thése INPG (1996) Grenoble France]. El MEA contiene una membrana con conducción protónica donde se encuentran adheridas una mezcla del catalizador soportado en carbón, dispersos en una emulsión ionomérica. Estas forman capas delgadas de electrocatalizador de platino en ambas caras y prensadas térmicamente para formar una red de tres capas.

Una primera capa externa está compuesta por partículas de carbón de diámetro - 0.1 µ?? [Lister y McLean, "PEM fuel cell electrodes". Journal of Power Sources, 30 (2004) 62-76], que tiene la función de mantener soporte mecánico y estar en unión con los platos mono y/o bipolares distribuidores de flujo de gases. Una segunda capa interna de tela/papel de carbón o grafito conocida comercialmente como papel Toray® en contacto con el electrodo cubierto de politetrafluoroetileno (PTFE) conocido comercialmente como teflón, que le confiere cohesión y carácter hidrófobo [O. Antoine, "Preparation et activité electrocatalitique des nano-partícules de platine dans les électrodes de piles á combustible á membrana échangense de protons", Thése INPG (1998) Grenoble, France], esta capa se llama capa difusora de gases (GDL, por sus siglas en inglés), y una tercera capa externa, donde se realizan las semi-reacciones de óxido-reducción electroquímicas, es la capa activa electrocatalizada formando una capa triple con carácter hidrófoba para evacuar el agua producida e hidrófila para mantener una hidratación de la membrana, la cual contiene nanopartículas de platino soportadas en partículas porosas de carbón o grafito [Song y col., "The ¡nfluence of oxygen additions to hydrogen in their electrode reactions at Pt/Nafion interface", Electrochimica Acta, Vol. 47 (2002) 2413-2419], impregnada con una solución de Nafion®con espesores ~ 40-100 µ?t?.

En una típica celda de combustible los combustibles gaseosos ricos en hidrógeno están continuamente suministrados en el ánodo (electrodo negativo) y los gases oxidantes (oxígeno o aire) son suministrados continuamente en el cátodo (electrodo positivo); las reacciones electroquímicas que se dan lugar requieren que los electrodos sean activos catalíticamente.

La función catalítica de los electrodos es importante a bajas y altas temperaturas, porque la reacción de conversión es proporcional a la temperatura, además los electrodos son permeables tanto para los gases reactivos como para el electrolito, pero no al medio acuoso del electrolito.

Las PEMFC han presentado la mayor de las atracciones en el desarrollo de las tecnologías basadas en la generación de energía eléctrica, en relación con los diversos sistemas de celdas de combustible existentes. Las celdas de combustible tipo PEM parecen ser las más adecuadas para aplicaciones de transporte terrestre, dispositivos portátiles y sistemas de generación tipo residencial, esto es debido a las siguientes características: 1 ) baja temperatura de operación 25 °C-80 °C, 2) rápido tiempo de arranque en frío y 3) aceptable tolerancia del electrolito al C02. La combinación de una alta densidad de potencia la hace mantener con alta eficiencia en su desempeño y por lo mismo, un buen dispositivo ecológico de generación de energía eléctrica. El papel económico juega un importante aspecto, al reducir los costos asociados con los materiales empleados, y el mantenimiento aceptable a su desempeño. La ingeniería del desarrollo de materiales requiere siempre de orientar soluciones que sean creativas en diseño e innovadoras.

La membrana polimérica con conducción protónica, es el elemento esencial de las celdas de combustible (corazón de la celda), ésta tiene como función el transporte de la carga iónica en la membrana de la celda electroquímica. La membrana polimérica es el equivalente al ácido sulfúrico (H2S04) de los acumuladores automotrices, con la ventaja de no ser corrosiva, ser sólida y de fácil manejo. Entre otras funciones, es la encargada de la separación de los gases combustible y oxidante, y de aislar eléctricamente los electrodos de carbón o grafito porosos. Una de las propiedades físicas importantes de la membrana es que debe estar humificada al punto de saturación, para ofrecer las mejores condiciones para la conducción protónica. Al momento de ser usada la membrana electrolítica debe ser tratada químicamente para sulfonar su polímero, debido a que tiene grupos sulfónicos que son los encargados de intercambiar los protones en el interior de la membrana.

Una celda de combustible es un convertidor electroquímico de energía, porque convierte la energía química de un combustible (hidrógeno) directamente en energía eléctrica, fenómeno que obedece a las leyes de la termodinámica.

Las reacciones electroquímicas en las celdas de combustible PEM se realizan simultáneamente en los electrodos (ánodo y cátodo).

Se ha mencionado previamente que el corazón de una celda de combustible es el ensamble membrana-electrodo. En ambos lados de la membrana se encuentran los electrodos con estructuras porosas, porque los gases reactivos reaccionan en una interfase entre los electrodos y la membrana, en donde las reacciones electroquímicas tienen lugar, la cual es conocida como capas catalizadas o simplemente superficie catalítica. Técnicamente, la capa catalizada puede ser una parte con estructura porosa o una parte de la membrana, dependiendo del proceso de fabricación. El ensamble multicapa de la membrana, es cuando es prensada entre los dos electrodos, comúnmente llamada ensamble-electrodo-membrana (MEA). El MEA es integrada entre platos mono o bipolares, y los colectores- separadores; colectores porque en ellos se colecta y se conduce la corriente eléctrica, y separadores porque en una configuración multicelda se separan los gases reactivos en las celdas adyacentes; al mismo tiempo en una multicelda se conecta física y eléctricamente con el cátodo de una celda al ánodo de otra celda adyacente, llamados platos bipolares. Estos proporcionan el camino para el flujo de los gases reactivos, llamados también campos de flujo por mantener una estructura rígida [P. Costamagna, "Transport phenomena in polymeric membrane fuel cells", Chemical Engineering Science, 56 (2001) 323-332].

Una membrana de intercambio protónico (PEM) es construida de un ionómero perfluorocarbonado del ácido sulfónico (PSA, por sus siglas en inglés). Este es un copolímero del tetrafluoroetileno (TFE) y de varios monómeros perfluorosulfonados. Esta membrana es conocida comercialmente como Nafion® hecha por la compañía DuPont. La membrana Nafion® es fabricada en diferentes tamaños y espesores, presenta la letra N, que se especifica con 3 ó 4 dígitos; los primeros dos dígitos representan el peso equivalente dividido entre 100 y los últimos dos dígitos representan el espesor de la membrana en miles (1 mil= 1/1000 pulgadas= 0.0254 mm). La membrana de Nafion® está disponible en varios espesores, llamados 2, 3.5, 5, 7, y 10 miles, con espesores de 50, 89, 127, 178, y 254 pm. Por ejemplo, Nafion® N 1 15, que es el utilizado durante el desarrollo de esta tesis tiene un peso equivalente de 1100 y 5 miles (0.127 mm = 127 pm de espesor). El peso equivalente (EW, por sus siglas en inglés) de una membrana polimérica puede ser expresado como: EW = 100 ¦ n + 446, donde, n es el número de grupos de TFE's en un promedio de monómeros [E. Chem. "Thermodynamics and Electrochemical Kinetics", in G. Hoogers (editor) Fuel Cell Technology Handbook CRC Press, Boca Ratón, FL. (2003)].

En principio, para la preparación de la MEA se tienen dos técnicas básicas: 1) el MEA puede ser preparado con un depósito de partículas del catalizador, partículas porosas de carbón o grafito como sustrato, para formar la conocida capa de difusión de gases (GDL, por sus siglas en inglés), de preferencia de fibras de papel o tela de carbón, la cual es prensada térmicamente con la membrana polimérica. 2) el MEA puede ser preparada con la aplicación de una capa del catalizador directamente sobre la membrana polimérica y el difusor de gases para formar la conocida capa triple o membrana catalizada de cada lado de la membrana.

El electrodo de una celda de combustible es esencialmente una capa delgada prensada térmicamente entre la membrana ionomérica y las partículas porosas de carbón o grafito, para generar un sustrato eléctricamente conductor. Es una capa donde las reacciones electroquímicas tienen lugar con tres especies benéficas: 1 ) los gases reactivos, 2) los protones, y 3) los electrones.

Los gases reactivos viajan solamente por ranuras o canales de flujo, los cuales pasan por los poros de los electrodos hacia los sitios activos. Los protones se transportan a través de la membrana junto con las nanopartículas de catalizador para estar en contacto íntimo, y finalmente los electrones que fluyen a través de los componentes sólidos eléctricamente conductivos, que están conectados con el sustrato.

El agua producida por las reacciones electroquímicas debe ser forzosamente removida, de otra forma, el electrodo puede ser anegado y evitar el acceso del oxígeno o aire.

La estabilidad y el manejo del agua producida se aseguran en la membrana de Nafion®, ya que la celda de combustible opera desde la temperatura del medio ambiente hasta los 80°C. A mayores temperaturas se presenta la deshidratación de la membrana y por lo tanto su degradación. A temperatura cercana a 80°C se presenta baja densidad de corriente de intercambio (¡0), por la lenta cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que de preferencia requiere una mayor carga de catalizador. La meta actual es que el contenido de catalizador sea lo mínimo posible o igual en el ánodo y cátodo. Los requerimientos de los electrodos son los siguientes: a) alta resistencia mecánica y térmica, b) alta conductividad eléctrica, c) baja corrosión, d) alta porosidad, e) fácil fabricación, y f) bajas pérdidas por resistencia.

En el estado de la técnica del electrocatalizador, supone el uso de nanopartículas de platino o sus aleaciones soportadas en una mayor área superficial de carbón o grafito poroso. La estructura de soporte Pt/C (platino-carbón) debe ofrecer una alta dispersión superficial ~0.5 mg/cm2. La estructura actual del electrocatalizador, es una mezcla de polvos finos de carbón o grafito, platino y Nafion®, que se aglutinan por diversos métodos. En esta invención se utilizó la técnica de pintado por dispersión de Pt/C [P. W. Atkins, "Physical Chemistry", Sixth ed. Oxford University Press, Oxford (1998)], usada para optimizar la conducción de protones y electrones simultáneamente. En la práctica, el espesor de la capa catalítica está reportada entre 10-50 µ?t? [E. Gileadi, "Electrode Kinetics for Chemists, Chemical Engineering and Materials Scientists". VCH Publishers New York (1993)].

La capa formada entre la capa del catalizador y los platos mono y/o bipolares es conocida como capa de difusión de gases (GDL). El electrodo (sustrato) también puede ser usado como difusor y/o colector de corriente. En la GDL no participan directamente las reacciones electroquímicas, sino que presentan las siguientes funciones: • Proporcionar el camino de los gases reactivos hacia las ranuras o canales de flujo hacia la capa del catalizador, permitiendo su acceso sobre toda el área de los sitios activos.

• Proporcionar un camino al agua producida desde la capa del catalizador y preferentemente de las ranuras o canales de flujo.

• Conectar eléctricamente la capa del catalizador con los platos mono y/o bipolares, permitiendo a los electrones completar el circuito eléctrico externo.

• Conducir el calor generado por las reacciones electroquímicas en la capa del catalizador por los platos mono y/o bipolares como platos finales disipadores, para ser removido.

• Proporcionar el soporte mecánico de la MEA, previniendo la fuga de los gases reactivos entre las ranuras o canales de flujo.

• Ser suficientemente porosos para permitir el paso de los gases reactivos y remover el agua producida, y · La capa de la GDL deber ser rígida para soportar la película delgada de la MEA, así como ser flexible para mantener un buen contacto eléctrico.

Los platos polares son materiales rígidos no porosos e impermeables a los gases, permiten en ellos diseñar y maquinar ranuras o canales de flujo que conducen los gases reactivos hacia los sitios activos para que se realicen las reacciones electroquímicas. Los platos polares también pueden tener la función de platos separadores-colectores de corriente. Los platos polares pueden diseñarse como platos monopolares y/o platos bipolares [Bockris y Srinivasan, "Fuel Cells: Their Electrochemistry", McGraw-Hill, New York (1969)]. En una configuración de una monocelda utiliza platos monopolares que contienen en cada cara un ánodo y un cátodo, en cambio una configuración multicelda utiliza platos bipolares, que contienen una cara el ánodo y la otra cara el cátodo, del lado opuesto de cara del cátodo se usa como ánodo para la siguiente celda adyacente, y así sucesivamente.

Los platos polares son materiales que contienen un patrón de ranuras o canales de flujo de los gases reactivos, estas ranuras están en contacto directo con la GDL. Los diferentes patrones de canales pueden ser empleados en cada cara del plato, su importancia está enfocada en la capacidad de remover el agua producida en el cátodo y colectar la corriente eléctrica generada. Existe una gran variedad de patrones de canales. Las limitaciones dependerán de su diseño y maquinado, su forma y tamaño, porque afectarán directamente el desempeño de la celda [Bard y Faulkner "Electrochemical Methods" John Wiley & Sons, New York (1980)].

La membrana polimérica debe estar hidratada para asegurar que puede conducir protones. El manejo del agua producida es otro de los puntos de atención más importante al diseñar una PEMFC, porque un mal diseño provocará una inundación o una deshidratación de la membrana. Una membrana completamente hidratada es la principal meta en una celda de combustible PEM, esto permite que la membrana de intercambio protónico sea más conductora y trabaje adecuadamente.

Los factores que contribuyen en el transporte de agua en la membrana, son su drenado a través de la celda por medio de la GDL en el cátodo y la difusión de una pequeña cantidad de vapor de agua en el ánodo. Además asegurar que el contenido de agua en la membrana sea constante [Larminie y Dicks, "Fuel Cell Systems Explained", Second Ed. John Wiley & Sons, Chichester, England (2003)]. El transporte de agua está en función de la corriente de la celda, el flujo de los gases y la humificación en el sistema de alimentación de los gases, de la membrana protónica y la porosidad de los electrodos.

El arrastre del agua es la cantidad de agua que es empujada con los protones a través de la membrana, en donde participan entre 1 -2.5 moléculas de agua drenadas por cada protón. El intercambio iónico puede ser interpretado como un ión hidrógeno hidratado (H30+). El arrastre del agua desde el cátodo es proporcional al flujo de protones. La contracorriente o reflujo del agua producida hacia el ánodo ocasionalmente sucede, fenómeno conocido como drenado electroosmótico.

En principio, los gases reactivos que alientan la celda de combustible deben ser humidificados, en especial el hidrógeno para asegurar que el arrastre electroosmótico (agua de regreso) no seque el ánodo y deshidrate la membrana. La humidificación del oxígeno o aire en el lugar que se produce el agua (cátodo), asegura que el exceso de gas seco en esta región no remueva grandes cantidades de agua que se genera por la reacción electroquímica. Pero existen casos severos en que requiere una alta humidificación cuando el oxidante es aire, por lo que la humidificación puede ser incorporada por: burbujeo del gas a través de agua, agua directa o por inyección, intercambio de agua (y calor) a través de un medio permeable al agua, e intercambio de agua (y calor) sobre una superficie adsorbente.

Dependiendo de las condiciones de operación de la celda de combustible (presión, temperatura y razón de flujo), el agua que escapa puede ser producida en forma líquida o en vapor. El agua líquida es más fácil de ser separada que en forma vapor, por lo que tendría que incorporar un sistema separador. El agua líquida colectada en el stack (apilado de celdas) no es suficiente para la humificación, sino que el agua que escapa puede ser enfriada con agua adicional para ser condensada y separada.

Las celdas de combustible PEMFC presentan diferentes propiedades que la hacen ver como dispositivos eficientes en la conversión de energía.

Los platos polares sirven para múltiples funciones en el ambiente de operación de las celdas de combustible.

Los platos mono y/o bipolares requieren ser diseñados y construidos de materiales que presenten las siguientes características: • Capacidad para conducir electrones y completar el circuito eléctrico externo, incluyendo: • Colección y transporte de electrones desde el ánodo hacia el cátodo para completar el circuito eléctrico.

• Conexión individual de celdas de combustible en serie para formar un arreglo conocido como stack que pueda mejorar el voltaje; ejemplo, las celdas de combustible de monoceldas son típicamente arreglos en conexión en serie.

• Proporcionar el camino de flujo de gases para su transporte y distribuirlos uniformemente sobre el área activa del catalizador.

• Separar los gases reactivos (combustible y oxidante), hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo, para evitar su mezcla.

· Remover el agua producida en el cátodo, evitando el anegado de la celda.

• Mantener soporte mecánico y de rigidez para sujetar la membrana electrolítica, Nafion® y los difusores de gases.

• Asegurar la conducción térmica para regular la temperatura en la celda, removiendo el calor residual para refrigerar las superficies de ranura o canal de los platos mono y/o bipolares, y • Operar a baja temperatura (25°C) y máxima de 80°C, permitida por la membrana con conducción protónica.

Los platos con arreglo monopolar y bipolar deben mantener las siguientes propiedades de exigencia: a) conductividad eléctrica y térmica, b) impermeabilidad a los gases, c) tensión mecánica, d) estabilidad química (resistencia a la corrosión), y e) disponibilidad para su maquinado.

Los platos mono y/o bipolares se diseñan dependiendo de su funcionalidad; por ejemplo, para voltajes pequeños se obtienen potencias del orden de (1 -100 W) se diseñan platos monopolares y para voltajes mayores se obtienen potencias de (1 kW-7 MW) se diseñan platos bipolares que integran un arreglo con platos monopolares en los extremos.

Los platos mono y/o bipolares son los platos de flujo básicos diseñados, pueden ser catalogados de acuerdo con el desempeño de la celda de combustible y su corriente de arrastre. El voltaje de un ensamble en una PEMFC que trabaja con hidrógeno/oxígeno o aire, mantiene un valor por debajo de 1 volt (demasiado pequeño), por tal razón las monoceldas individuales son empaquetadas para obtener un voltaje útil; es decir, son conectadas eléctricamente en serie o en paralelo. El tipo de arreglo de monoceldas es llamado celda de combustible en stack o simplemente stack.

La mayoría de las celdas de combustible y tipos similares a las PEMFC, consisten de una estructura en stack de platos bipolares, también conocidos como platos separadores o platos de flujo, que separan los gases reactivos de celdas individuales adyacentes. Estos platos bipolares también sirven como colectores de corriente y forman la estructura de soporte del stack. La cara de un plato monopolar forma el compartimiento del ánodo de una celda, en el siguiente se encontrará un plato bipolar que forma el compartimiento del cátodo y del ánodo a la vez hacia las celdas adyacentes, dependiendo del voltaje deseado. El voltaje total de un stack está determinado por el número de celdas individuales y la corriente por el área activa de las celdas.

En una conexión en serie de monoceldas, los electrones liberados pasan a través de una cara del electrodo de la monocelda hacia el borde de otra monocelda y de esta misma forma hacia la siguiente. Pero en esta conexión de monoceldas el voltaje producido no es uniforme, porque presenta una pequeña pérdida de voltaje. Por esta limitante, entonces la conexión en serie de monoceldas las hace propicias solo para aplicaciones portátiles.

Para una conexión en serie de celdas de combustible, se presentan dos configuraciones básicas: i) arreglo monopolar, y ii) arreglo bipolar.

En una arreglo monopolar, las celdas de combustible individuales contienen platos con diseño en una sola cara, tanto para el ánodo como el cátodo, si llegaran a conectarse eléctricamente será solo por uno de sus bordes. Una ventaja de las celdas de combustible con arreglo monopolar en un ensamble en stack permite la desconexión de una o más monoceldas, provocando la disminución del voltaje total de salida sin interrumpir el funcionamiento del stack; en este arreglo las pérdidas de voltaje hacen que las densidades de corriente no sean uniformes.

En cambio, en un arreglo bipolar, los platos positivo y negativo de las celdas adyacentes forman una unidad elemental, como plato de flujo bipolar, este arreglo de platos tiene la ventaja de reducir las pérdidas de voltaje en relación a una celda en conexión monopolar. En el arreglo bipolar la corriente eléctrica fluye desde la celda en forma perpendicular, porque los platos bipolares son diseñados y maquinados en sus dos caras (opuestas), por lo tanto, una celda de platos bipolares no lesiona la corriente del stack.

Para alcanzar una presión de los gases y minimizar su resistencia de contacto, los arreglos en stack de celdas PEM en el arreglo bipolar, son protegidas por medio de una presión mecánica (tornillos o varillas de seguridad), para que su ajuste sea uniforme en toda su periferia y mantener una rigidez en el stack.

Los platos polares contienen canales de flujo sobre su superficie. La geometría de la ranura del canal puede ser diferente en el ánodo y en el cátodo. La dirección de flujo sobre los electrodos puede ser también diferente, como flujo co-currente, contraflujo, y flujo cruzado. El flujo co-currente (movimiento de un fluido en una sola dirección), el contraflujo (movimiento de un fluido en contracorriente) y finalmente el flujo cruzado (movimiento de un fluido en forma perpendicular). La elección y optimización de la geometría del flujo en los platos bipolares, es que afectan el funcionamiento de la PEMFC, especialmente en el manejo del agua producida y la distribución de los gases reactivos en los electrodos. Existen varios tipos de geometría de flujo propuestos y discutidos en la literatura, la finalidad es forzar la entrada y salida de los gases; por lo que, la elección de la geometría de flujo dependerá del tamaño y profundidad del canal de flujo.

La elección de la geometría básica, relaciona el tamaño de los canales y las áreas de ranurado. Se debe considerar el ancho, la profundidad y la base de los canales, porque afectan también el manejo del agua, especialmente en el cátodo. La capacidad de la membrana electrolítica para resistir la diferencia de presión depende del ancho del canal.

En los arreglos o stack's pequeños, el suministro de aire puede ser alcanzado por convección libre o con ayuda de un ventilador, en este caso, el cátodo debe tener canales rectos paralelos. Los canales se extienden hasta los bordes del plato y terminan en la salida del mismo.

El diseño del campo del canal de flujo con frecuencia está enfocado a la capacidad para remover el agua producida. Un diseño deficiente en los platos mono y/o bipolares provoca en ciertas regiones superficiales sean inundadas de agua líquida, bloqueando la salida de corriente, además puede causar un daño irreversible en la celda y por lo mismo provocar polaridad en la celda que puede ser reversiblemente localizada en regiones donde no hay entrada de gas, creando corrosión y degradación de los materiales, ya que el agua que se produce viene ligeramente ácida [Barbir y col., "Properties of Molded Graphite Bi-Polar Plates for PEM Fuel Cells", International Journal on New Materials for Electrochemical Systems, No. 2 (1999) 197-200].

Algunos platos de flujo contienen canales que pueden ser amplios o estrechos reportados, en consecuencia se han establecido tres patrones de flujo y sus variaciones: a) flujo en paralelo, b) flujo en serpentina, y c) flujo interdigitado.

Flujo paralelo, es una configuración de canales paralelos, donde el flujo ingresa eventualmente sobre un canal recto y sale a través de él por el lado opuesto. Una ventaja significante en este diseño es que existe baja presión de goteo, entre el gas de entrada y salida, por lo que, cuando se diseñan canales anchos, el flujo es relativamente grande y la distribución del gas en el canal no será uniforme, esto ocasiona que el agua producida se acumule en ciertas regiones de las ranuras, principalmente provocando baja transferencia de masa, y por lo tanto disminución en la densidad de corriente. Algunas celdas de combustible emplean este tipo de canales de flujo para aplicaciones portátiles, porque los requerimientos de voltaje son muy pequeños.

Flujo en serpentina, es una configuración de canales en espiral más comúnmente diseñada en las celdas de combustible prototipo. La ventaja de este patrón es que tiene mejor capacidad de remover el agua producida, ya que solo existe una sola dirección de flujo donde el agua líquida es forzada a salir. Por lo tanto, cuando se diseña un área mayor se producirá un goteo con mayor presión. Algunas variantes de diseño en configuración en serpentina continúan siendo investigadas y experimentadas [Zawodzinski y col., "The Water-Content Dependence of Electroosmotic Drag in Proton-Conducting Polymer Electrolytes"-Electrochimica Acta, 40 (1995) 297], se propone que se tengan entre 1.14-1.4 mm de ancho, 0.89-1.4 mm de base, y 1.02-2.04 mm de profundidad. La configuración en serpentina paralela, es considerada como una opción por ser una combinación de canales de flujo (serpentina y paralelo).

Flujo interdigitado, es una configuración en costillas, la cual promueve una convección forzada de los gases reactivos a través de los difusores de gases, este patrón de flujo ha adquirido atención por el buen manejo del agua producida, así como el transporte de masa [US 4988583].

La gran ventaja de estos canales es la presencia de una alta presión de goteo a través de la capa de difusión de gases. Se propone superar esta situación separando los costados pequeños [Word III y col., "Effect of direct liquid water injection and interdigitated for field on the performance of protón exchange membrane fuel cells" Electrochemica Acta, 43 (1998) 3795].

Flujo discontinuo, configuración que ha sido propuesta como una solución al problema del aumento de la difusión de gases [Yi y Nguyen. "Multicomponent transportin porous electrodes of protón exchange membrane fuel cell using the intergitated gas distributors". Journal Electrochem. Soc. 146 (1999) 38]. La discontinuidad de los canales de flujo en la entrada del difusor de gases facilita la remoción del agua. El transporte de oxígeno o aire presenta fuerte incidencia en la capa difusora y en el caso del aire puede ser forzado por convección libre.

Flujo en espiral, configuración interesante como propuesta alternativa de flujo [US 5641586], combina la efectividad de la remoción del agua por un canal de flujo simple con la ventaja de estar fresco y reducir la entrada de oxígeno en el cátodo. Pero es un resultado aceptable por mantener una distribución más uniforme de los gases reactivos, como sucede en la configuración en serpentina, en dispositivos de celdas de combustible convencionales.

Flujo en rejilla o de puntos, configuración en red con diseño de arreglos en forma regular [J. Kaskimies. "Kiinteápolymeeripolttokennon suunnittelu ja toteutus Helsinki University of Technology Departament of Engineering Physics and Mathematics Masters thesis (2003)]. La red de puntos puede diseñarse en forma deseada (cúbica o circular), siendo configuraciones frecuentemente usadas. Los gases reactivos cruzan los canales de flujo por los huecos de la red, pero tienen el inconveniente que presentan baja presión, permitiendo a la vez fluir con facilidad en un camino con menor resistencia, así también provoca una distribución no uniforme generando estancamientos del agua líquida, repercutiendo en el desempeño de la celda [US 4769297].

La optimización de los canales de flujo para una configuración geométrica básica dada es una tarea compleja que tiene diversos requerimientos que deben ser balanceados, de acuerdo a los siguientes criterios reportados: • La disminución del ancho de las ranuras de los canales de flujo facilita el paso del agua y los gases hacia el MEA. El anegado del cátodo es lo primero que ocurre [Li y Sabir. "Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs". Int. Journal of Hydrogen Energy, 30 (2005) 359-371], indicando que el ancho de las ranuras afectan fuertemente el transporte de masa y por lo mismo su acumulación, pero si el área de las ranuras disminuye se ejercerá un aumento de presión hacia la capa difusora de gases, pero a la vez provoca una situación de crisis.

· La disminución de la sección de canales puede aumentar la velocidad de flujo de los gases, permitiendo que la remoción del agua líquida sea más efectiva.

• La pérdida de presión del gas en los canales ayuda en la remoción de las gotas de agua. Por esta razón [West y Fuller. "Influence of rib spacing in proton-exchange membrane electrode assemblies". Journal of Applied Electrochemical, 26 (1996) 557-565], se recomienda que se aplique una presión de 10-30 mbar en los canales del cátodo. Se puede aumentar más la presión si es sistema es más eficiente, esto ayudaría a reducir el consumo de energía cuando se suministra aire.

• Al aumentar el ancho de los canales de flujo puede bajar la pérdida de presión en los mismos, pero puede resultar una distribución de los gases reactivos no uniforme [Büchi y col., "Polymer electrolyte fuel cells; flow field for efficient air operation". Paul Scherer Instituí, Annual Report (1996). Annex V]. También en la parte de la MEA puede ocurrir que en ciertas áreas de los canales no haya recibido un adecuado ensamble mecánico, con el riesgo de que la membrana electrolítica se contraiga y se rompa.

· El aumentar la profundidad de los canales de flujo también disminuye la presión de los gases, debiendo aumentar el espesor de los platos polares, que en un stack repercutiría en una baja densidad de corriente.

• Una mala distribución de los gases reactivos puede generar una pérdida de presión en las monoceldas cuando están conectadas en serie [West y Fuller. "Influence of rib spacing in proton-exchange membrane electrode assemblies". Journal of Applied Electrochemical, 26 (1996) 557-565]. Lo mismo sucederá cuando se tiene una multitud de canales de flujo muy cerrada, y • La pérdida de presión está también afectada por la densidad de corriente, que tiene relación directa con la estequiometría de los gases reactivos suministrados en la celda.

Bajo los criterios propuestos es importante considerar que planear un diseño de configuración de los patrones de canales de flujo, se debe analizar y proponer la mejor opción en la optimización en el manejo del agua, así como promover un buen transporte de masa [Büchi y col. "Polymer electrolyte fuel cells; flow field for efficient air operation". Paul Scherer Institut, Annual Report (1996). Annex V]. La convección forzada hacia la capa difusora de gases ayuda a bajar la presión de goteo, por lo que se debe tener bastante evidencia del mejor canal de flujo, como sucede con la configuración interdigital. El papel de los platos polares en arreglo mono y/o bipolar los ubica en el interés fundamental en el manejo y la remoción del agua producida [Kumar y Reddy. "Effect of channel dimensión and shape in the flow-field distributor on the performance of polymer electrolyte membrane fuel cells" Journal of Power Sources, 113 (2003) 11].

Los platos mono y/o bipolares son hechos de diferentes materiales, que entre sus propiedades, deben ser lo menos impermeables a los gases reactivos y ser eléctricamente conductivos. Los platos son comúnmente hechos de grafito de alta densidad o de metales como el aluminio (Al), acero inoxidable, titanio (Ti) y níquel (Ni), o de materiales compuestos (composito). Los canales de flujo son moldeados y maquinados para proporcionar un camino adecuado en la distribución de los gases reactivos [Naseri-Neshat y col. "Predicting the effect of gas-flow channels spacing on current densíty in pem fuel cells". In Proceedings of the ASME advanced Energy Systems División, (1999) 39].

Los platos polares son los componentes claves de una PEMFC, representan una parte significante soporte mecánico de la celda y lo mismo sucede con el stack. Para aplicaciones en transporte y en dispositivos portátiles, se diseñan platos con características en volumen, energía y densidades de corriente. Los platos polares representan aproximadamente el 80% del peso total, y 45% del costo del stack [Lee y col. "Development of 1 kW class polymer electrolyte membrane fuel cell power generation system". Journal of Power Sources, 107 (2002) 110]. Esto indica mayor cantidad de material en masa usado, su costo es de preferencia crítico. En la fabricación de los platos polares, su maquinado representa un 29% del costo total, solo atribuido a los platos. Como un factor clave, estos costos afectan su comercialización, el reto a futuro es abatir los costos y su producción en masa de platos polares más delgados y de fuerte resistencia mecánica. Tan solo como una muestra de ejemplo, en el campo del transporte el peso de los mismos es esencialmente crítico, porque un peso adicional reducirá la eficiencia de la celda, su rango de aplicación y sus efectos en su desempeño. Los materiales usados para los platos polares permitirán la capacidad para ser producidos en laboratorio y comercialmente a bajos costos.

Una celda de combustible típica en stack para aplicaciones de transporte vehicular incluyen entre 200 y 400 platos bipolares; en este caso, el material apropiado deberá ser seleccionado y procesado metodológicamente en el laboratorio y en la industria automotriz. Existen diferentes tipos de materiales para su diseño y construcción, que incluyen: metales o aleaciones metálicas, metales recubiertos, grafito de alta densidad, compósitos (carbón/polímero y carbón/carbón).

La adquisición y maquinado del grafito de alta densidad permite obtener diseños de canales de flujos finos, las opciones de porque trabajarlo, se deben a su buena estabilidad química (resistente a la corrosión), sus inconvenientes en ciertas circunstancias son sus costos; por lo que se usan otros materiales que puedan competir con estas cualidades.

Los platos polares de arreglo mono y/o bipolar más popularmente usados en las PEMFC son de grafito por ser un material de excelente conductividad eléctrica y en peso se caracterizan por ser de baja densidad. Los problemas de los platos de grafito son su fragilidad, por poseer una estructura porosa y su alto costo, que está asociado con el maquinado de sus superficies, así como su procesado con resinas para hacerlo impermeable a los gases reactivos.

La fragilidad del grafito en la fabricación de los platos polares los hace tener cuidado en su maquinado, especialmente cuando son delgados, y porque deben mantener suficiente tensión mecánica en el ensamblado. El peso y volumen de los platos polares de grafito es importante en el ensamble del stack, cuando es largo y de gran volumen. Los costos de maquinado del grafito son de aproximadamente > US $ 50.00/plato [Lee y col., "Development of 1 kW class polymer electrolyte membrane fuel cell power generation system", Journal of Power Sources, 107 (2002) 110]; por lo que, los platos polares de grafito son el estándar de las celdas de combustible convencionales prototipo, en relación a otros materiales.

Los metales y los aceros inoxidables [Kumar y Reddy, "Fundamentáis of Advanced Materials for Energy Conversión" Eds D. Chandra, and R. G. Bautista, TMS, Warrendale (2002) 41], con/sin recubrimiento conductivo presentan severas desventajas sobre los platos convencionales de grafito. Los materiales metálicos incluido el acero inoxidable, titanio y aluminio, son considerados como materiales alternativos para el maquinado de platos polares [Makkus y col. "Use of stainless steel for cost competitive bipolar plates in the SPFC". Journal of Power Sources, 86 (2000) 274].

Los platos polares metálicos ofrecen buena conductividad eléctrica y térmica, excelentes propiedades mecánicas, y son poco impermeables a los gases reactivos, pero el problema es su alto costo en su adquisición y maquinado. Las nuevas técnicas como en enrollado laminar o el baño por estampado, es usado para facilitar su producción en masa, pero los platos polares metálicos estudiados usados en aplicaciones de transporte vehicular (autobuses) tienen la desventaja de ser muy pesados, de modo que a mayor peso mayor consumo de combustible.

Los platos polares metálicos presentan además problemas de corrosión, porque liberan cationes que envenenan la catálisis del electrodo o el electrolito, esto hace que disminuya el desempeño de la celda. Son propensos a la pasividad de su superficie por la formación de óxidos incrementando la resistencia de contacto que está asociado a la pérdida óhmica, presentando una resistencia adicional. El MEA de la celda de combustible es fuertemente ácida y la producción del agua, egresa en forma protonada, que induce a la corrosión.

Los costos de maquinado y los problemas de corrosión afectan las potenciales aplicaciones de los platos polares metálicos. Para evitar estas limitantes se realizan tratamientos de recubrimiento de capas delgadas metálicas de nitruro de titanio (TiN) [Wind y col. in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger, and A. Lamm (Eds.) "Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, Technology and Applications". Vol. 3: Fuel Cell Technology and Applications, Willey & Sons, New Cork, 294 (2003) 307] o un electrodepósito de aluminio. Se ha estudiado el recubrimiento de películas sobre acero inoxidable y titanio en las PEMFC [Baird y col., "Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells" Plástic Engineering, 59 (2003) 46-55].

Las investigaciones reportan que una película de recubrimiento puede proteger con efectividad la superficie metálica de los platos polares, pero no reportan la formación de cationes y su impacto en la contaminación de la MEA. También se ha investigado los efectos de los materiales recubiertos que reducen la presencia de los iones metálicos.

Los platos polares metálicos de acero inoxidable ofrecen menos expansión en los procesos de fabricación [Woodman y col., "Development of Corrosión Resistant Coating for Fuel Cell Bipolar Plates", American Electroplaters and Surface Finishers Society; AESF SUR/FIN, Proceedings (1999)], presentan fuerte tensión mecánica, proporcionan una oportunidad para ser empleados, solo que aumentan en volumen, peso y costo. Para evitar la oxidación por corrosión los platos se recubren con una delgada capa de un material resistente a la corrosión (aleación de titanio u oro), que mantendrá la estabilidad de las reacciones corrosivas [Hodgson y col., "New lightweight bipolar píate system for polymer electrolyte membrane fuel cells" Journal of Power Sources, 96 (2001) 53].

En algunas investigaciones se reportan diferentes tipos de recubrimientos obtenidos por las técnicas de depósito en fase vapor o químico en fase vapor (CVD, por sus siglas en inglés), que cubre las superficies metálicas de los platos polares con una película delgada resistente a la corrosión, y aumentar así su promedio de vida.

Para reducir el peso de la celda de combustible, existen materiales de nueva generación para el diseño y fabricación de platos polares conocidos como materiales compuestos o compositos, que son una mezcla de polvos de carbón con polímeros tratados térmicamente. Es una técnica alternativa para su fabricación laminar en masa. Idealmente, los platos polares de material compuesto o composito carbón-polímero deben cubrir los siguientes requerimientos [Hentall y col., "New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors" Journal of Power Sources, 80 (1999) 235]: a) buena conductividad eléctrica (16 cm3/cm2 S), b) baja permeabilidad al gas H2 en igual o menor rango en relación a la MEA, c) buenas propiedades mecánicas, d) buena estabilidad térmica en temperaturas entre 40-120 °C, para aplicaciones vehiculares, c) buena resistencia a la corrosión, d) baja expansión térmica, e) fácil maquinado y reproductividad, f) buenas tolerancias de ingeniería, f) fácil terminado con calidad estándar, y g) buen período de vida, con capacidad para ser reciclado.

Con estas propiedades ideales los materiales a base de polímeros y sus mezclas (negro de carbón, fibras de carbón, polvos de grafito y aleaciones metálicas), son una alternativa.

El moldeo por prensado o por inyección es usado para fabricar platos polares en el diseño de canales de flujo en sus superficies, para lo cual se proponen metodologías para la reducción de sus costos. Algunos investigadores y colaboradores [US 4769297] fabricaron platos polares usando fibra de carbón con resina fenólica, como un recubrimiento de resinas para eliminar su porosidad. Los materiales son conocidos como termoconductivos, que son también una alternativa para su fabricación, al mantener una estabilidad química y térmica aceptable, su buena resistencia mecánica aún siendo materiales fibrosos. Los materiales termoplásticos son otra opción para su producción en masa. La ventaja adicional del uso de resinas termoplásticas, es su proceso convencional en la técnica de moldeo por compresión o por inyección a presión, con la cualidad de ser materiales reciclables.

En investigaciones recientes [Mighri y Huneault, "Electrically Conductive T ermoplastic Blends for Injection and Compression Molding of Bipolar Plates in the Fuel Cell Application" Polymer Enginnering and Science, 44 (2004) 1755] se reporta haber desarrollado un nuevo plato polar como soporte mecánico de la MEA, por medio de un proceso conocido como compuesto por moldeo volumétrico (VMC, por sus siglas en inglés). El composito usado, debido a sus características, disminuyó la resistencia eléctrica de 20,000 - 5.8 S/m, pero los contenidos de grafito aumentó en 60-80% en peso. Las mezclas de composito con altas cargas de polvos de grafito pueden mantener buena conductividad, lo mismo sucede cuando se usan polvos metálicos. Algunos investigadores [Naseri-Neshat y col., "Predidcting the effect of gas-flow channels spacing on current density in pem fuel cells" In Proceedings of the ASME Advanced Energy Systems División 39 (1999)] desarrollaron platos polares de composito de polvos de carbón con sulfuro de polifenileno (PPS, por sus siglas en inglés) con cargas de grafito del 60% en peso. El negro y fibras de carbón son por naturaleza materiales conductores con una resistividad de 0.06 O-cm, que por el proceso de moldeo o inyección, presentan un alto desempeño en las celdas de combustible, con bajo costo y maleables en su maquinado [Hentall y col., "New materials for polymer electrolyte membrane fuel cell current collectors" Journal of Power Sources, 80 (1999) 235]. Los platos polares maquinados con canales en configuración interdigital son recubiertos con resinas para evitar la naturaleza fibrosa, para obtener una baja resistencia de contacto a baja presión de prensado, para la formación de platos bipolares en un stack ligero, con volumen pequeño, además de su aplicación como electrodos de alto desempeño.

Dentro de las aplicaciones tecnológicas de los polímeros conductores se encuentra el composito conocido como Zenite, que es un polímero de cristal líquido (LCP, por sus siglas en inglés), que se usa para la fabricación de conectores eléctricos, materiales que mantienen una buena conducción eléctrica, resistencia mecánica y rugosidad superficial [Besmann y col., "Carbon/carbon Composite Bipolar Píate for Protón Exchange Membrane Fuel Cells", J. of Elec. Soc. 147 (2000) 4083].

El polímero comercial Zenite® (LCP), es una excelente resina para la producción de materiales por moldeo. Es usada como reemplazo cerámico, lo mismo sucede con la resina PPS en la fabricación de partes automotrices [Robberg y col. (Eds), "Handbook of Fuel Cells-Fundamentals, vol. 3: Fuel Cell Technology and Applications, Wiley & Sons, New York (2003) 308]. La Zenite® se puede mezclar con otros materiales por proceso de ensamble a alta temperatura, que soporta buena resistencia química, excelente dureza y por lo mismo resistencia mecánica. Sus aplicaciones típicas incluyen un gran rango de componentes como: dispositivos eléctricos y electrónicos, telecomunicaciones, dispositivos de auto-encendido, dispositivos aeroespaciales, fibras ópticas, motores, sensores, refractarios y en estructuras de contenedores para almacenamiento de gases y combustibles.

Los materiales compuestos o compositos de carbón-polímero eléctricamente conductivos (CPC, por sus siglas en inglés), son obtenidos por mezclado de un polímero aislante con materiales conductivos como soporte (negro de carbón, fibras de carbón o partículas metálicas). Los platos polares obtenidos son ligeros en peso y con baja permeabilidad a los gases reactivos, reducen los costos de maquinado y se pueden reproducir en masa.

Mejor método de llevar a cabo la invención Ejemplo 1. Proceso de diseño Se diseñaron platos monopolares con dos trayectorias de flujos de gases: una convencional de referencia en serpentina y otra experimental en cobre en configuración cuadrada, como comparación. Las dos celdas de combustible usaron el mismo diseño de centro de celda, es decir, la misma MEA, con membrana Nafion® 115, con cargas de platino como catalizador con 1 mg/cm2 (Pt 10% w/C) tanto para el ánodo como cátodo, y como difusor de gases reactivos papel carbón comercial conocido como Toray®, para coadyuvar a la colección de la corriente eléctrica.

Ejemplo 2. Platos monopolares y finales de celda de combustible convencional Se diseñaron dos configuraciones geométricas de canales de flujo: • Configuración geométrica en serpentina en material de grafito de alta densidad no poroso, como convencional, y • Configuración geométrica en concavidad cuadrada en cobre, como propuesta.

Ejemplo 3. Diseño de monoplatos de grafito Se cortó una placa de grafito de alta densidad no poroso en dos cuadros de 5 cm2 y de espesor de 0.5 cm. El diseño en configuración geométrica en serpentina como canal de flujo para su maquinado fue de 0.2 cm de profundidad, 0.2 cm de espesor en bordes, 0.2 cm en base; los canales de flujo en serpentina fueron contenidos en un área de 3 cm2. Además, en los platos de grafito en serpentina se realizaron dos perforaciones circulares roscadas para entrada y salida de gases de 0.5 cm; así también dos perforaciones circulares lisas en los vértices de las placas de grafito como guías de ensamble mecánico.

Ejemplo 4. Diseño de placas finales de cobre Se diseñaron y maquinaron dos placas de cobre como platos finales colectoras de corriente de 8 cm2 y 0.5 cm de espesor, como soporte de ensamble de platos monopolares de grafito. En los platos de finales de cobre con ocho perforaciones circulares lisas de 0.9 cm, para tornillos de ajuste mecánico y dos perforaciones roscadas en la parte central de los platos finales/colectores, para entrada y salida de gases reactivos. Finalmente ocho perforaciones equidistantes (periféricas) para varillas de 0.2 cm, para el alineado de los platos monopolares de grafito.

Ejemplo 5. Platos monopolares v finales de celda de combustible experimental Se cortaron dos placas de cobre como platos monopolares y finales de 6 cm2 y espesor de 0.5 cm; en las placas se realizaron dos concavidades cuadradas una externa de 3 cm2 y una interna de 2 cm2 en escalón; la parte externa del escalón soportará un electrodo difusor de gases de grafito poroso y la parte interna del escalón será el área de suministro de los gases reactivos. Se diseñan dos perforaciones esquinadas roscadas en la parte interna del escalón interno para entrada y salida de gases de 0.5 cm en cada plato, así también, ocho perforaciones lisas en los dos platos para tornillos de ensamble mecánico y finalmente dos perforaciones en bordes de los platos monopolares de 0.3 cm, para la conexión eléctrica de la celda en banco de pruebas.

Ejemplo 6. Ensamble de celdas de combustible En las celdas de combustible ensambladas (convencional y experimental), se usó el mismo ensamble membrana-electrodo, preparado en el laboratorio. El centro de celda, fue preparado con una membrana de intercambio protónico comercial, Nafion® 115, por la técnica de pintado por dispersión (spray). Se aplicó una carga de platino de 1 mg/cm2 al 10% para ánodo y cátodo. El área total del Nafion® 1 15 fue de 5 cm2; el área de ensamble térmico de capa activa de membrana Nafion® fue de 4 cm2 y el área para los electrodos difusores de gases de papel Toray® de 3 cm2. Los electrodos de papel carbón difusores de gases Toray® son usados como colectores de corriente en las dos celdas, su posición es diferente en cada celda. Se utiliza una llave de torque para el ajuste mecánico de los tornillos de ensamble en las dos celdas, a una presión de 5.2 N/m2.

Ejemplo 7. Ensamble y montaje de las celdas de combustible Una vez ensambladas las celdas de combustible convencional y experimental, se montaron en el banco de pruebas tipo "Fuel Cell Test System Globe Tech Compu-Cell, usado para la caracterización y diagnóstico de celdas de combustible PEM.

Ejemplo 8. Desempeño de celdas de combustión Para conocer el desempeño de las celdas de combustible convencional y experimental, las celdas se sometieron a diferentes presiones de flujo de gases reactivos; se probaron a temperatura ambiente (26°C)¡ se fijó el suministro de gases de alta pureza (hidrógeno y oxígeno) de salida en banco de pruebas en 50 cm3/min. Se estudió el desempeño de las celdas de combustible en dos niveles de flujo en platos monopolares: 1 ) flujo co-currente, y 2) flujo cruzado. También se propone que las celdas alimentadas con gases se establezcan dos procesos: 1 ) con humidificación, y 2) sin humidificación.

Para el estudio de las celdas de combustible, se establecieron ocho condiciones de presión en la alimentación de los gases reactivos en ánodo y cátodo, como se muestra en la tabla siguiente.

Niveles de Presión Etapas Ánodo Cátodo (psi) (psi) 1 0 0 2 5 5 3 5 10 4 5 15 5 5 20 6 10 10 7 20 20 8 30 30 Ejemplo 9. Estación de trabajo: banco de pruebas Para el diagnóstico de desempeño de las celdas de combustible, se usa el equipo Fuel Cell Test System Globe Tech Compu-Cell, Modelo GT-890-B, conocido comúnmente como banco de pruebas, útil para el monitoreo y análisis del desempeño de celdas de combustible PEM. El banco de pruebas está acompañado de sistemas auxiliares de medición, que son usados de acuerdo a las necesidades específicas en cada escenario de trabajo. El banco de pruebas generalmente consistió de un sistema con tanques de gases, una unidad de carga y una computadora, que monitorean las tareas de control y la colección de datos. Las partes de la estación de trabajo, son los tubos de gases y las conexiones eléctricas.

El alto desempeño de las celdas de combustible depende de las condiciones de trabajo; una buena respuesta de prueba (setup, por sus siglas en inglés), permite un control flexible a diferentes temperaturas, niveles de humidificación y presiones de los gases reactivos. Para un alto desempeño, como sucede en un stack (multiceldas), los gases generalmente son calentados y humidificados antes de ser alimentados a las celdas. La respuesta de prueba (setup) en el caso monopolar se inicia a temperatura ambiente y puede omitir las variaciones de temperatura. Es deseable conocer las pérdidas de presión causadas en los canales de flujo en los platos monopolares, la cual puede ser monitoreada desde la entrada y salida de los gases.

Existen generalmente tres técnicas in situ para caracterizar el desempeño de las celdas de combustible PEM: a) mediciones voltaje-corriente, b) espectrocopía de impedancia electroquímica, y c) voltamperometría cíclica.

En el presente trabajo solo se realizaron las mediciones voltaje-corriente, es decir, caracterización de desempeño de celdas de combustible, con el uso de las curvas de polarización, con los siguientes escenarios: a) temperatura ambiente en celdas y gases reactivos, b) dos niveles de humidificación (con o sin), c) ocho niveles de presión de gases reactivos en ánodo y cátodo, d) dos niveles de flujo en platos monopolares (co-currente y cruzado), e) voltaje fijo de inicio de polarización en celdas en 0.95 V, f) desempeño de celdas de combustible a circuito abierto (OCV, por sus siglas en inglés), establecidas en el banco de pruebas.

Como se mencionó anteriormente, los desempeños de las celdas de combustible son caracterizados por las curvas de polarización, que en forma gráfica registra el voltaje de la celda V, (volts) - densidad de corriente i, (mA/cm2), y densidad de potencia, W (mW/cm2).

En el estudio de diagnóstico de las celdas de combustible PEM se registraron 16 curvas de polarización, de la celda de combustible convencional y 16 curvas de polarización en la celda de combustible experimental; 8 curvas voltaje-densidad de corriente y 8 curvas voltaje-densidad de potencia (convencional) y el mismo número de curvas para el celda experimental. En esta tesis se muestran solo 4 curvas de polarización representativas: voltaje de la celda-densidad de corriente-densidad de potencia (convencional y experimental). Para cada celda en los procesos con y sin humificación, estos corresponden a 8 escenarios de presión de flujo de gases en platos monopolares: flujo co-currente y flujo cruzado.

Las curvas de polarización para el desempeño de celdas de combustible PEM, se obtuvieron con las siguientes consideraciones: • Se registraron tres parámetros: voltaje de la celda (V)-densidad de corriente (i)-densidad de potencia (W).

• En las celdas de combustible PEM se obtuvieron voltajes cercanos a 1 V, en el banco de pruebas se inició en 0.95 V.

· El voltaje en 0.95 V, fue por considerar las pérdidas de voltaje de los electrodos (ánodo y cátodo).

• El aumento en la corriente (i), se interpretará como el consumo de combustible, ocasionará una disminución de voltaje (V).

• La potencia obtenida es el producto de la corriente (i) por el voltaje (V), según la ley de Ohm: W= V· i • El aumento de la corriente (i), también implicó un aumento de potencia (W), es decir: en donde: R se refiere a la resistencia en la membrana electrolítica por el paso de los portadores iónicos, E0 es el voltaje termodinámico, iR es considerado como una pérdida óhmica por resistencia; y • El máximo de potencia (W) se obtiene voltajes cercanos a 0.5 V.

Recordar que el máximo de densidad de potencia descrito en las curvas de polarización está en proporción directa con el máximo de eficiencia de la celda de combustible.

Las curvas de polarización de las celdas de combustible convencional y experimental están conformadas de dos escenarios de curvas: A) curvas de voltaje de la celda (V) vs densidad de corriente (mA/cm2) que se muestran en forma semi-lineal descendente y B) curvas de voltaje de la celda (V) vs densidad de potencia (mW/cm2) en forma de campana, además contienen dos cuadros, el cuadro superior representa (A) y cuadro inferior (B), en ocho procesos de presiones de flujo en unidades (psi).

De acuerdo con los criterios establecidos para su interpretación, se encuentra con un mayor consumo de combustible y oxidante a una presión de flujo de 30 psi tanto en ánodo como cátodo, con un máximo densidad de potencia en 118.68 mW/cm2, correspondiente a un máximo de densidad de corriente de 232.90 mA cm2, y un voltaje de 0.50 V. Además, con presiones de 5 psi (ánodo) y 20 psi (cátodo) encontramos un máximo de densidad de potencia en 117.84 mW/cm2 con una densidad de corriente de 273.69 mA/cm2 y un voltaje de 0.43 V; También observamos una respuesta con una densidad de potencia en 83.91 mW/cm2 con una densidad de corriente en 173.46 mA/cm2, y un voltaje de 0.48 V con presiones de flujo en 5 psi (ánodo) y 15 psi (cátodo).

Los resultados del desempeño de una celda de combustible convencional sin humidificación de gases en flujo co-currente de platos monopolares de grafito mostraron un mayor consumo de combustible y oxidante a una presión de flujo de 30 psi, tanto en ánodo como cátodo, con un máximo de densidad de potencia en 124.81 mW/cm2, con una de densidad de corriente en 290 mA/cm2, que generó un voltaje de 0.43 V.

Además encontramos un máximo de densidad de potencia en 121.99 mW/cm2, con una densidad de corriente de 281.25 mA/cm2 y un voltaje de 0.43 V sin presiones de flujo en ánodo y cátodo; y finalmente, una densidad de potencia en 121.58 mW/cm2, con una densidad de corriente en 296.86 mA/cm2 y un voltaje de 0.40 V con presiones de flujo en 10 psi en ánodo y cátodo.

El mejor desempeño de la celda de combustible convencional se presentó en flujo co-currente sin humidificación de gases en presiones de flujo de 30 psi en ánodo y cátodo.

La curva de polarización obtenida con la celda de combustible convencional con humidificación de gases en flujo cruzado de platos monopolares que el mayor consumo de combustible y oxidante se obtienen a una presión de flujo de 30 psi en ánodo y cátodo, con un máximo de densidad de potencia en 110.52 mW/cm2 y un máximo de densidad de corriente en 265.30 mA/cm2, a un voltaje de 0.41 V. Además, encontramos un máximo de densidad de potencia en 102.44 mW/cm2, con una densidad de corriente de 254.98 mA/cm2 y un voltaje de 0.40 V en presiones de flujo de 20 psi en ánodo y cátodo; y finalmente una densidad de potencia en 98.22 mW/cm2, con una densidad de corriente en 255.04 mA/cm2 y un voltaje de 0.38 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo.

El comportamiento corriente-voltaje de una celda de combustible convencional sin humidificación de gases, en flujo cruzado de platos monopolares. En esta curva de polarización se observa que el mayor consumo de combustible y oxidante se obtiene a una presión de flujo de 30 psi tanto en ánodo como cátodo, con un máximo de densidad de potencia en 124 mW/cm2, con una densidad de corriente en 243.79 mA/cm2 a un voltaje de 0.50 V. Además, encontramos un máximo de densidad de potencia en 109.76 mW/cm2, con una densidad de corriente de 233.12 mA/cm2 y un voltaje de 0.41 V con presiones de flujo de 20 psi en ánodo y cátodo; y finalmente una densidad de potencia en 109.56 mW/cm2, con una densidad de corriente en 230.27 mA/cm2 y un voltaje de 0.38 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo.

Se observó que el mejor desempeño de la celda de combustible convencional, cuando ésta se realizó a una presión de flujo de 30 psi en ánodo y cátodo, con un máximo en densidad de potencia de 124.81 mW/cm2, sin humidificación; así también observamos que tanto el flujo co-currente como el flujo cruzado no produjeron un cambio significativo en los niveles de potencia.

Los resultados obtenidos con una celda de combustible experimental con humidificación de gases en flujo co-currente de platos monopolares de cobre. Se observa un mayor consumo de combustible y oxidante a una presión de flujo de 20 psi tanto en ánodo y cátodo, con un máximo de densidad de potencia en 175.36 mW/cm2, con una densidad de corriente de 352.46 mA/cm2 y un voltaje de 0.44 V; observando que esta potencia es superior a la obtenida en la celda de combustible convencional bajo las mismas condiciones de operación. Además, encontramos un máximo de densidad de potencia en 144.51 mW/cm2, con una densidad de corriente de 334.00 mA/cm2 y un voltaje de 0.43 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo; y finalmente una densidad de potencia en 137.77 mW/cm2, con una densidad de corriente en 334.70 mA/cm2 y un voltaje de 0.41 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 15 psi en cátodo. Los resultados obtenidos hasta ahora son superiores en la celda de combustible experimental a la convencional.

Por otro lado, se mostró que el mayor consumo de combustible y oxidante a una presión de flujo de 30 psi en ánodo y cátodo, se obtuvo un máximo de densidad de potencia en 183.54 mW/cm2 con una densidad de corriente en 368.90 mA/cm2, y un voltaje de 0.49 V. Además se encuentra un máximo de densidad de potencia en 161.57 mW/cm2, con una densidad de corriente de 327.56 mA/cm2 y un voltaje de 0.49 V en presiones de flujo en 20 psi en ánodo y cátodo; y finalmente una densidad de potencia en 151.93 mW/cm2, con una densidad de corriente en 305.42 mA/cm2 y un voltaje de 0.41 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo.

El mejor desempeño de la celda de combustible experimental se obtuvo a una presión de flujo de preferencia es de 30 psi en ánodo y cátodo, con una máxima densidad de potencia de 183.54 mW/cm2 en nivel sin humidificación, así también observamos que el voltaje de la celda a esta máxima potencia se mantuvo constante en 0.49 V.

El comportamiento electroquímico de una celda de combustible experimental con humidificación de gases en flujo cruzado de platos monopolares de cobre. El mayor consumo de combustible y oxidante se realizó a una presión de flujo de 30 psi en ánodo y cátodo, con un máximo de densidad de potencia en 124.05 mW/cm2, y un máximo de densidad de corriente en 243.79 mA/cm2, con un voltaje de 0.50 V. Además encontramos un máximo de densidad de potencia en 102.44 mW/cm2 con una densidad de corriente de 254.98 mA/cm2 y un voltaje de 0.40 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo; y finalmente se obtuvo una densidad de potencia en 102.14 mW/cm2, con una densidad de corriente en 206.08 mA/cm2 y un voltaje de 0.49 V en presiones de flujo en 5 psi en ánodo y 20 psi en cátodo.

Los resultados experimentales obtenidos con una celda de combustible experimental sin humidificación de gases en flujo cruzado de platos monopolares de cobre muestran que el mayor desempeño de la celda de combustible experimental se obtuvo sin humificación de gases, al obtener una máxima densidad de potencia en 183.54 mW/cm2 con un voltaje de 0.49 V en flujo cruzado y una densidad de corriente de 368.90 mA/cm2. Además, se observó que la mayor presión de flujo fue de 30 psi en ánodo y cátodo, situación que es muy semejante al obtenido sin humidificación de gases en proceso de flujo co-currente. Los resultados obtenidos con la celda de combustible experimental son relevantes porque con el diseño de monoplatos polares de cobre, estos cubren al mismo tiempo dos funciones: i) como monoplatos polares y ii) como platos finales. La diferencia está en el diseño de la configuración geométrica cuadrada propuesta y no reportada en la literatura, en comparación a la celda de combustible convencional reportada, donde se describe el diseño de monoplatos polares en configuración geométrica en serpentina.

Para complementar el desempeño de las celdas de combustible convencional y experimental, se graficaron la densidad de potencia máxima obtenida en cada celda de combustible en los niveles con/sin humidificación de gases (hidrógeno y oxígeno), en el proceso de campo de flujos: flujo co-currente y flujo cruzado de platos monopolares, en configuración serpentina convencional y configuración cuadrada experimental.

El mejor desempeño de la celda de combustible convencional se realizó a una presión de gases de 30 psi en ánodo y cátodo (máximo consumo de combustible y oxidante). La mejor respuesta se realiza en el nivel sin humidificación de gases. Además, es importante señalar que los voltajes están en los rangos de 0.4-0.5 V, que corresponden a una curva de polarización típica de las celdas de combustión de intercambio protónico PE .

En la tabla siguiente se resumen los resultados experimentales electroquímicos obtenidos en una celda de combustible convencional y experimental con presiones máximas de flujo en 30 psi en ánodo y cátodo.

Flujo Humidificació Voltaje Densidad de Densidad de n (V) Corriente Potencia (mA/cmí) (mW/cm.) Co- cúrrente Con 0.50 232.90 118.68 Co- cúrrente Sin 0.41 304.58 124.81 Cruzado Con 0.41 265.30 110.52 Cruzado Sin 0.50 243.79 124.05 Flujo Humidificació Voltaje Densidad de Densidad de Densidad de Densidad de Humidificació Voltaje Flujo corriente potencia n (V) (mA/cnru) (mW/cm.) Co-currente Con 0.44 352.46 175.36 Co-currente Sin 0.49 368.90 183.54 Cruzado Con 0.50 243.79 124.00 Cruzado Sin 0.49 368.90 183.54 Un aspecto de innovación en la presente invención se presentó en la celda de combustible experimental porque se diseñó un dispositivo prototipo de monoplanos polares en configuración cuadrada con electrodos (placas) de difusión de grafito poroso, que mostraron optimizar una mayor área de distribución de los gases reactivos, que por efecto de la presión de flujo de 30 psi cubrieron una mayor área superficial de la capa catalítica activa.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones, caracterizada porque comprende: i) platos monopolares con trayectoria de flujos de gases en geométrica en concavidad cuadrada en cobre, y diseño de centro de celda, con membrana Nafion® 1 15, con cargas de platino como catalizador con 1 mg/cm2 (Pt 10% w/C) tanto para el ánodo como cátodo, y como difusor de gases reactivos papel carbón; ii) monoplatos de grafito de alta densidad no poroso de tamaño cuadrado de 5 cm2 y de espesor de 0.5 cm, con dos perforaciones circulares roscadas para entrada y salida de gases de 0.5 cm, y dos perforaciones circulares lisas en los vértices de las placas de grafito como guías de ensamble mecánico; iii) dos placas de cobre como platos finales colectoras de corriente de 8 cm2 y 0.5 cm de espesor, como soporte de ensamble de platos monopolares de grafito, con ocho perforaciones circulares lisas de 0.9 cm, para tornillos de ajuste mecánico y dos perforaciones roscadas en la parte central de los platos finales/colectores, para entrada y salida de gases reactivos, y ocho perforaciones equidistantes (periféricas) para varillas de 0.2 cm, para el alineado de los platos monopolares de grafito; iv) dos placas de cobre como platos monopolares y finales de 6 cm2 y espesor de 0.5 cm con dos concavidades cuadradas una externa de 3 cm2 y una interna de 2 cm2 en escalón, y con dos perforaciones esquinadas roscadas en la parte interna del escalón interno para entrada y salida de gases de 0.5 cm en cada plato, ocho perforaciones lisas en los dos platos para tornillos de ensamble mecánico, y dos perforaciones en bordes de los platos monopolares de 0.3 cm, para la conexión eléctrica de la celda en banco de pruebas; v) un centro de celda a base de una membrana de intercambio protónico con un área total de 5 cm2 y un área de ensamble térmico de capa activa de membrana de 4 cm2 y un área para los electrodos difusores de gases de papel de 3 cm2; y vi) electrodos de papel carbón difusores de gases.