electrodos de alta actividad catalítica para celdas de combustible

DESARROLLO DE PROTOTIPOS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE
MULTIMÓDULO DE TECNOLOGÍA PEM
Tori, C.; Barsellini, D.; Visintin, A.; Triaca, W. E.
Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA), Facultad de Ciencias Exactas,
Universidad Nacional de La Plata. CC 16, Suc. 4 (1900) La Plata, Argentina.
avisintin@inifta.unlp.edu.ar
ABSTRACT
The development of a hydrogen/oxygen proton exchange membrane (PEM) fuel cell prototype is
presented. A test bench for the energy conversion system was assembled including equipment to
measure and control cell operating parameters, which will be subsequently automated. The influence of
the electrode-membrane-electrode assembly characteristics on the performance of the fuel cell prototype
was studied. The behaviour of the prototype was evaluated under different operating conditions.
RESUMEN
Se presentan avances a nivel nacional en el desarrollo de prototipos de celdas de combustible
multimódulo de hidrógeno/oxígeno de tecnología PEM. Se realizó el montaje de un banco de prueba
para el sistema de conversión de energía incluyendo equipos para la medición y control de los
parámetros de funcionamiento. Se estudió la influencia de las características del ensamble electrodomembrana-electrodo, sobre el desempeño del prototipo. Se evaluó el comportamiento de la celda
multimódulo bajo diferentes condiciones de funcionamiento.
Palabras Claves: Celda de combustible, hidrógeno, energía.
1. INTRODUCCIÓN
Las celdas de combustible de hidrógeno-oxígeno con membranas de intercambio de
protones (PEM) como electrolito han sido motivo de numerosos estudios a partir del
primer desarrollo realizado por General Electric para su uso en las misiones Géminis de
la NASA en la década de 1960 [1]. Dentro de los avances más significativos se pueden
destacar: i) el desarrollo de las membranas fluorsulfónicas; ii) la reducción de 10 a 100
veces la carga de platino en los electrodos mediante la utilización de partículas
nanocristalinas soportadas en carbón de alta área especifica y el impregnado de la
capa activa del electrodo con electrolito de conducción protónica; iii) La optimización de
la estructura del ensamble electrodo-membrana-electrodo (MEA) que permite llegar a
altas densidades de corriente superiores a 1 A/cm2 [2,3]. Estas mejoras han permitido
una sustancial reducción del costo por kilovatio de potencia que posibilitan la aplicación
de las celdas PEM como fuente de potencia para vehículos eléctricos y una amplia
variedad de sistemas portátiles. En este trabajo se presentan desarrollos recientes en
el diseño y construcción de prototipos de celdas de combustible multimódulo de
hidrógeno-oxígeno de tecnología PEM.
2. EXPERIMENTAL
En trabajos anteriores se ha presentado el diseño de una celda de combustible PEM de
hidrógeno-oxígeno de módulo unitario, desarrollado en INIFTA [4,5], como así también
se han descripto procedimientos propios de fabricación de electrodos de carbón-PTFEplatino y de ensambles electrodo-membrana de intercambio de protones. Por otra
parte, se ha evaluado el comportamiento en operación de la celda unitaria bajo distintos
tipos de demanda. En base a esta experiencia previa, se ha diseñado y construido un
prototipo de celda de combustible multimódulo.
La celda de combustible multimódulo consta de dos placas de acero inoxidable tipo 316
y de varias placas de grafito de alta conductividad eléctrica. Las placas de acero
permiten el alojamiento de resistencias calefactores y de acoples rápidos para la
entrada de los gases (hidrógeno y oxígeno). Las placas de grafito actúan como
distribuidoras de gas y colectoras de corriente. El prototipo es de diseño modular, por lo
cual se pueden intercalar placas bipolares sucesivas de modo de aumentar su
prestación. Se incluyen sellos neumáticos que actúan también como aisladores
eléctricos entre placas.
El banco de prueba consta de tres circuitos independientes: uno de hidrógeno, otro de
oxígeno y el tercero de agua en equilibrio líquido-vapor, que se inserta en la corriente
de hidrógeno, lo que permite la correcta humidificación de la membrana de intercambio
de protones.
La corriente resultante de la mezcla de la corriente de hidrógeno con la del agua en
equilibrio líquido-vapor entra a la celda de combustible, circulando por el distribuidor de
gases. El banco se completa con un voltímetro para medir el potencial de celda, un
shunt de resistencia conocida para medir en forma indirecta la corriente eléctrica
generada por la celda, y un dispositivo electrónico, diseñado y construido en nuestro
laboratorio, que actúa como carga virtual.
El electrolito de polímero sólido utilizado fue una membrana de Nafion® 112 (Dupont)
de 50 micrones de espesor. La selección de la membrana se realizó en base a estudios
comparativos previos [4,5] en una celda de módulo unitario (Figura 1), que mostraron
que la utilización de Nafion® 112 minimiza las pérdidas por caída óhmica. Los
electrodos de carbón-PTFE-platino y los ensambles electrodos-membrana se
construyeron con la técnica ya descripta [5,6], ofreciendo una superficie geométrica de
9 cm2 con una carga de platino de 0,4 mg/cm 2. La temperatura de operación de la
celda se mantuvo a 62 ºC.
Densidad de potencia [W/cm2]
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Celda n° 18, ensayo n° 10, Nafion 117 ( 180 m )
Celda n° 20, ensayo n° 5, Nafion 115 (130 m )
Celda n° 21, ensayo n° 4, Nafion 112 (50m )
0.0
-0.1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Densidad de corriente [A/cm2]
Figura 1. Densidad de potencia vs. densidad de corriente para membranas de diferente
espesor.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se evaluó la performance de la celda de combustible, bajo las condiciones óptimas de
funcionamiento determinadas previamente en la celda de módulo unitario [4,5]. La
metodología de trabajo adoptada consistió en la determinación de las características
potencial-corriente, partiendo del prototipo con placas monopolares, al que se le
intercaló placas bipolares en ensayos sucesivos.
La figura 2 muestra la variación del potencial de celda con el drenaje de corriente para
la celda unitaria de placas monopolares y el prototipo multimódulo de placas
monopolares y bipolares con 2, 3 y 4 módulos.
Se puede observar que el potencial de circuito abierto del prototipo aumenta con el
número de módulos desde 0,9 V (módulo unitario) hasta ca. 3,4 V (prototipo de 4
módulos).
1 Módulo
2 Módulos
3 Módulos
4 Módulos
3.5
Potencial de celda [V]
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14
Corriente [A]
Figura 2. Variación del potencial de celda con la densidad de corriente para el prototipo
con diferente número de módulos.
Por otra parte, en el módulo unitario, a un potencial de operación de 0,5 V se alcanzan
corrientes del orden de 5 A. A su vez, en el prototipo de 4 módulos, a potenciales de
1,0 V y 2,0 V se alcanzan corrientes del orden de 11,0 A y 6,0 A, respectivamente.
En la figura 2 se observa también la dependencia lineal del potencial de celda con el
drenaje de corriente a valores de densidades de corriente superiores a
aproximadamente 1 A, lo que indica el control óhmico del sistema. La resistencia
óhmica varía desde 0,09 a 0,2 ohmios, para el módulo unitario y el prototipo de 4
módulos, respectivamente.
Se determinó la dependencia de la potencia del prototipo con el drenaje de corriente.
En la figura 3 se representan las potencias del módulo unitario y del prototipo en
función de la corriente drenada. La potencia máxima aumenta desde 2 W (4,5 A) para
el módulo unitario hasta ca. 13 W (8 A) para el prototipo de 4 módulos (Figura 4).
A drenajes de corriente superiores a los correspondientes a las potencias máximas, el
efecto de los sobrepotenciales de concentración generados, determina una caída de la
potencia de la celda (Figura 3).
Figura 3. Variación de la potencia con la densidad de corriente para el prototipo con
diferente número de módulos
Potencia máxima de celda [W]
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
Número de módulos
Figura 4. Variación de la potencia máxima de celda para el prototipo con diferente
número de módulos.
4. CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó una celda de combustible multimódulo tipo PEM de hidrógenooxígeno de placas monopolares y bipolares, en base a la tecnología básica
previamente desarrollada en INIFTA.
La evaluación del comportamiento en operación del módulo unitario y del prototipo
multimódulo mostró un comportamiento satisfactorio tanto de las placas bipolares
como de los ensambles electrodo-membrana-electrodo, alcanzándose potencias del
orden de ca. 13 W a un potencial de operación de 1,6 V, con el prototipo de 4 módulos.
Los resultados obtenidos muestran que la principal pérdida de energía está relacionada
con la caída óhmica generada al aumentar el número de ensambles electrodomembrana-electrodo, por lo cual se trabaja actualmente en la minimización de estas
pérdidas mediante mejoras en el diseño de la celda y en el sistema de humidificación
de las membranas
5. REFERENCIAS
[1] Larminie J. y Dicks A., “Fuel Cell Systems Explained”, John Wiley & Sons Ltd.,
Chichester, West Sussex, 2003, p. 67.
[2] Costamagna P. y Srinivasan S., Journal of Power Sources, 102, 2001, p. 242.
[3] Costamagna P. y Srinivasan S., Journal of Power Sources, 102, 2001, p. 253.
[4] Tori C.A., Visintin A. y Triaca W.E., “Actas HYFUSEN 2005”, 5-28.
[5] Tori C.A., Calzada R., Visintin A. y Triaca W.E., “II Jornadas de Pilas de
Combustible”, Centro Atómico Constituyentes, CNEA, 2006.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científicas y
Tecnológicas, el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas y la
Universidad Nacional de La Plata.