Cómo construir una pila de combustible
El primer paso en la construcción de una celda de combustible es determinar los requisitos de energía necesarios para alimentar el dispositivo o aplicación en particular. Las pilas de combustible se pueden utilizar para alimentar cualquier cosa, incluidos teléfonos, portátiles, automóviles, autobuses, casas, empresas e incluso transbordadores espaciales. Se puede diseñar una sola celda de combustible para lograr cualquier corriente requerida para una aplicación particular simplemente aumentando o disminuyendo el tamaño del área del electrodo activo. El voltaje de salida de una sola celda es inferior a 1 V en condiciones de funcionamiento realistas, pero la mayoría de los desarrolladores de pilas de combustible utilizan un voltaje de 0,6 a 0,7 V a potencia nominal. Sin embargo, los sistemas de pilas de combustible se pueden diseñar con voltajes nominales de 0,8 V por pila o más si se seleccionan el diseño, los materiales, las condiciones de funcionamiento, el equilibrio de la planta y la electrónica correctos. Para la mayoría de las aplicaciones, se utiliza una pila de pilas de combustible que consta de muchas pilas individuales conectadas en serie. El número de celdas en una pila está determinado por el requisito de voltaje máximo y el voltaje de funcionamiento deseado. En la Tabla 1 se proporcionan algunos requisitos de potencia y voltaje para aplicaciones comunes de celdas de combustible.
Tabla 1. Ejemplo de requisitos de voltaje y potencia para aplicaciones de celdas de combustible
La salida de potencia de la pila de combustible se puede diseñar calculando la potencia y el pico de voltaje más altos posibles que pueden ocurrir durante el funcionamiento del dispositivo (según la carga) y luego incorporando un factor de seguridad en el cálculo del diseño de energía. Una vez estimados los requisitos de energía iniciales, podemos comenzar a preparar las piezas y los materiales de la pila de combustible. Las partes esenciales de una pila de combustible como se muestran en las Figuras 1 y 2 son:
1. Membrana de intercambio de protones, que ayuda a la reacción química dentro de la pila de combustible permitiendo el flujo de protones de hidrógeno a través de la membrana.
2. Capas de respaldo de electrodos, que permiten que el combustible y el oxidante viajen al catalizador mientras recolectan electrones.
3. Catalizador, que descompone el combustible en protones y electrones.
4. Placas Flowfield, distribuyen los gases y líquidos por toda la pila de combustible.
5. Juntas, que evitan fugas de combustible y ayudan a distribuir la presión en la chimenea.
6. Colectores de corriente, que recogen los electrones de las placas del campo de flujo.
7. Placas terminales, brindan soporte y aplican compresión a los componentes.
8. Mecanismo de sujeción, que mantiene unida la pila.
Figura 1. Ilustración de una celda de combustible de celda única
Por supuesto, hay muchos componentes auxiliares que se agregan a las pilas de pilas de combustible comerciales para optimizar y controlar la salida de la pila de combustible. Se necesitan sistemas de humidificación y enfriamiento separados para tamaños de chimenea más grandes para garantizar que la temperatura del sistema permanezca lo suficientemente baja como para que la membrana perfluorada Nafion® permanezca hidratada para conducir protones de manera eficiente. Al contemplar el diseño apropiado de celda de combustible, algunas consideraciones básicas son:
• El combustible y el oxidante deben distribuirse uniformemente a lo largo de la superficie de cada celda y a lo largo de la pila. Esto asegurará una generación uniforme de energía y agua dentro de la chimenea.
• La temperatura debe ser uniforme en toda la pila de pilas de combustible. Esto se vuelve un desafío a medida que aumenta el número de celdas y la carga consume un alto nivel de energía. La temperatura uniforme garantiza una tasa homogénea de distribución de energía, ya que el agua se vuelve más difícil de manejar a medida que aumenta la temperatura.
• Si se diseña una pila de combustible con un electrolito de polímero, la membrana no debe secarse ni inundarse de agua. Los problemas de gestión del agua disminuyen enormemente el rendimiento de la pila de combustible.
• Las pérdidas resistivas deben mantenerse al mínimo. Un método para reducir estas pérdidas es tener un buen contacto entre los componentes conductores para permitir que los electrones fluyan con una resistencia mínima.
• La chimenea debe estar debidamente sellada para garantizar que no haya fugas de gas. Las juntas deben tener el tamaño adecuado para sellar adecuadamente la pila.
• La pila debe ser robusta y capaz de soportar las condiciones ambientales necesarias.
Figura 2. Piezas de la pila de pila de combustible única
Materiales para la pila de combustible
1. Membrana de intercambio de protones, como Nafion® 117
2. Solución Nafion®
3. Tela o papel carbón
4. Catalizador, que suele ser platino.
5. Grafito u otro tipo de placas de campo de flujo.
6. Material de junta para sellar los gases en el área del campo de flujo.
7. Metal para crear coleccionistas actuales
8. Placas finales
9. Mecanismo de sujeción como tuercas y tornillos.
10. Fuente de hidrógeno
11. Instrumentos de prueba como un multímetro y un osciloscopio.
12. Método para presionar el MEA juntos
Una vez que haya recopilado estos materiales, el primer paso es preparar la membrana de electrolito polimérico
Preparación de la membrana de electrolito polimérico
La membrana de electrolito polimérico más comúnmente utilizada en celdas de combustible de baja temperatura es Nafion® (consulte la Figura 3), que es una película delgada y transparente que debe cortarse al tamaño adecuado para el diseño de su celda de combustible. Se prepara sumergiéndolo en varias soluciones calentadas de agua desionizada, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico diluido para activar los grupos de ácido sulfónico en la membrana. Una secuencia típica para tratar la membrana incluye sumergirla en soluciones calentadas a 80 °C en vasos de vidrio. Cada vaso contiene la película PEM durante una hora en secuencia, de la siguiente manera:
1. Agua destilada (DI) para hidratar la membrana y disolver los contaminantes de la superficie.
2. Solución de peróxido de hidrógeno para eliminar contaminantes orgánicos de la superficie del PEM.
3. Diluir ácido sulfúrico para eliminar los contaminantes de iones metálicos de la superficie del PEM y sulfonar la superficie del PEM.
4. Agua desionizada para enjuagar el ácido sulfúrico de la superficie e hidratar el PEM.
5. Agua desionizada para enjuagar e hidratar nuevamente el PEM
6. Agua desionizada para el enjuague final y la hidratación.
Al tratar la película, asegúrese de que esté sumergida en todo momento para que se hidrate uniformemente. Se debe controlar la temperatura de la solución para asegurarse de que se mantenga en 80 °C. Después de sumergir la membrana de electrolito polimérico en cada solución, se debe secar en un lugar limpio.
Figura 3. Estructura química de una membrana Nafion®
Preparación de la capa de electrodos
La capa de electrodo consiste en una combinación de una mezcla de platino y polvo de carbono unida a una capa de difusión de gas (GDL), que es una tela o papel conductor de fibra de carbono. El platino es el componente que descompone el combustible (como el hidrógeno) en protones y electrones. Los protones viajan a través de la membrana y luego se recombinan con el oxidante (a menudo aire u oxígeno) para formar el subproducto de la reacción química, que es el agua. Los electrones viajan a través de la capa de catalizador conductor hasta el GDL, las placas de campo de flujo y luego hasta los colectores de corriente para alimentar la carga.
Cada MEA de pila de combustible requiere dos piezas de material catalizador/electrodo: una para el ánodo y otra para el cátodo. El GDL, como la tela de fibra de carbono, es el sustrato para sostener el catalizador y, a menudo, está recubierto con teflón en un lado para ayudar con la gestión del agua en la pila de pilas de combustible. La capa de catalizador se aplica a menudo utilizando uno de varios métodos, tales como pintura, serigrafía, difusión por pulverización, deposición electroquímica, deposición no electrolítica o deposición mecánica. El método más sencillo y económico para crear su primera pila de pilas de combustible es la serigrafía.
Montaje del conjunto de electrodos de membrana (MEA)
Las dos capas de electrodos y la membrana de electrolito polimérico (PEM) deben fusionarse utilizando temperatura y presión para que los electrones y protones fluyan adecuadamente en la celda de combustible después de la reacción química. Primero se recubre la capa de electrodo con una solución líquida de Nafion®, que se aplica solo al lado del catalizador que se unirá a la membrana polimérica. El recubrimiento se puede aplicar con una brocha y luego secar a temperatura ambiente.
Luego, las tres capas (electrodo-PEM-electrodo) se intercalan entre un conjunto de placas calefactoras y luego se calientan a 90 °C bajo presión durante una hora para evaporar los disolventes del recubrimiento líquido de Nafion®. Luego se eleva la temperatura a 130 °C durante los siguientes treinta minutos. Una vez que las placas calefactoras y el “sándwich” del electrodo PEM alcanzan los 130 °C, se debe aplicar presión adicional a las tres capas. Después de dos minutos a esa temperatura y presión, se apaga la temperatura y se enfrían las placas y MEA a temperatura ambiente. Después del prensado en caliente, los electrodos y la membrana deben fusionarse.
Juntas y espaciadores de gas
Cuando se ensambla la pila de pilas de combustible, no debe haber espacios ni grietas que permitan que los combustibles escapen. La fuga de combustible u oxidante causaría inconsistencias en los caudales a través de la celda de combustible. El sellado se logra en la pila de combustible mediante juntas y espaciadores. Se pueden utilizar muchos materiales diferentes para juntas, incluidos caucho, silicona y Teflon®. El material de la junta debe tener suficiente elasticidad para compensar los defectos superficiales en las placas del campo de flujo y un espesor adecuado para igualar el espesor de otros componentes y resistir la compresión. A menudo se colocan juntas alrededor del patrón del campo de flujo para crear un sello que evite fugas de gas y, a menudo, se forman alrededor de los colectores de corriente y rodeando las celdas para sellar los gases dentro de la celda.
Montaje de la pila
Antes de ensamblar la pila, el MEA debe montarse en el centro de una pieza de Mylar para proporcionar un método para sujetarlo en la pila. Los electrodos metálicos pueden fabricarse de cualquier metal conductor que tenga buena resistencia a la corrosión y un espesor adecuado para encajar en el diseño de la pila. Además, las placas finales deben fabricarse con los orificios adecuados para sujetar la pila. Las placas finales pueden estar hechas de metal, polímero o una variedad de otros materiales dependiendo de la pila. Las placas finales no conductoras aíslan y protegen la pila del entorno exterior. También se pueden usar placas terminales conductoras que pueden funcionar como colectores de corriente si la pila no estará en contacto con otros componentes conductores y se montará en una carcasa no conductora. Las placas finales ayudan a mantener la pila unida con tuercas y pernos o algún otro mecanismo de sujeción. La pila de pilas de combustible se puede montar añadiendo las siguientes capas en secuencia:
1. Placa final
2.Colector de corriente y juntas.
3. Placa de campo de flujo
4. MEA y juntas
5. Placa de campo de flujo
6. Colector de corriente y juntas.
7. Placa final
El número de capas de placa de campo de flujo y MEA dependerá de los requisitos de voltaje y potencia calculados para la aplicación particular. Lo más probable es que la primera pila de celdas de combustible que cree tenga solo una celda, pero las pilas sofisticadas para aplicaciones automotrices y de suministro de energía de respaldo generalmente tienen cientos de celdas.
Pruebas de pilas de combustible
Si tiene acceso limitado a equipos de prueba, puede comenzar a probar su celda de combustible con un multímetro y un osciloscopio. Estos instrumentos sólo proporcionarán información limitada sobre el sistema de pila de combustible (voltaje y corriente), pero será suficiente para ver inicialmente cuánta energía está generando su pila de combustible. Después de examinar su voltaje y corriente iniciales, inmediatamente tendrá ideas sobre cómo mejorar la potencia de salida. Una buena configuración de prueba con varios métodos para monitorear diferentes celdas de combustible y propiedades del combustible le permite controlar y analizar cómo se puede mejorar la celda de combustible. Algunos de los parámetros que se monitorean en las pilas de pilas de combustible comerciales incluyen la temperatura del combustible, la presión, los caudales, las temperaturas de la pila, los niveles de humedad y muchos otros parámetros.
Conclusión
La construcción de pilas de combustible es una forma divertida y educativa de aprender sobre varias disciplinas científicas y de ingeniería diferentes. Se deben considerar muchos materiales y parámetros al diseñar y construir pilas de combustible. Algunas de las consideraciones de diseño más fundamentales incluyen la potencia requerida, el tamaño, los materiales, los componentes y las condiciones de funcionamiento. Después de construir su primera pila de celdas de combustible, podrá optimizarla fácilmente con requisitos de diseño detallados, como selecciones de materiales y componentes, campo de flujo, difusión de gas, juntas y diseño del colector de corriente.
