A finales de los años cincuenta Leonard Niedrach y Tom Grubb

PEMFC Pila de combustible de membrana polimérica
Protón Exchange Membrane Fuel Cell
A finales de los años cincuenta Leonard Niedrach y Tom Grubb idearon un sistema de pila
de combustible utilizando una membrana de intercambio de protones, conocido también
como pila de combustible de polímero sólido.
Thomas Grubb (izquierda) y Leonard Niedrach
Roy Mushrush (Director de energía del proyecto Gemini)
Durante los años sesenta fue cuando se realizaron los primeros desarrollos sobre pilas de
combustible PEMFC, éstas fueron utilizadas para proveer de energía a los vehículos del
programa espacial Gemini.
Pila de combustible utilizada por la NASA en el proyecto Gemini
Descripción:
Es una celda de combustible que utiliza como electrolito una membrana de intercambio
de protones de estado solido, generalmente fabricada con un polímero solido, éste es un
material consistente en un polímero fluocarbonado a modo de estructura, donde se
fijan ciertos ácidos sulfónicos , [uno de los electrólitos mas conocido es el "nafion" que es
un polímero perfluorado con grupos sulfonato polares].
Este tipo de pilas se utilizan principalmente para usos de generación estacionaria, equipos
portátiles y vehículos.
El único residuo que genera la pila es agua.
La temperatura de funcionamiento es inferior a 80°C
A estas temperaturas les afecta el CO del gas, por lo que el hidrógeno que se ha de utilizar
ha de tener una pureza elevada, reduciendo el contenido de CO a unas pocas partes por
millón.
Al tener un electrolito de estado sólido hace más difícil que pueda acceder el gas de una
celda a otra.
La densidad de corriente es elevada con respecto otros tipos de celdas, pero como
contrapartida, la gestión del calor y del agua pueden limitar la gestión de energía.
La pila proporciona entre 0,2 y 0,7 A/Cm2 con un nivel de tensión de entre 0,6 a 0,84V. Se
necesita un Nm3 de Hidrógeno para obtener una potencia media efectiva de 1,30Kw, por
lo que el consumo especifico sería 1/1,30 = 0,77 Nm3/Kw.
Como se puede ver en la celda de combustible en una pila se compone de una serie de
elementos que se explican a continuación:
Componentes de un tipo de celda de combustible PEM
Placa bipolar
Los elementos que encontramos a los extremos de la celda son las placas bipolares, éstas
tienen una doble función: por un lado distribuyen los gases por el interior de la celda, por
el otro, son las que conducen el flujo de electrones a través de las distintas celdas al
producirse la reacción electroquímica. La diferencia de potencial que se produce en la
celda, se puede medir físicamente con un equipo de medida (voltímetro) entre las dos
placas bipolares, por lo que éstas han de estar fabricadas de un material conductor que no
se deteriore con la acción de los grases o sus productos, generalmente de grafito.
Al haber una diferencia de potencial entre las placas bipolares, es posible conectar en
serie las diversas células del stack (conjunto de celdas de la pila) para lograr una mayor
diferencia de potencial, de la misma manera que se conectan en serie las baterías
domesticas.
Existen distintos tipos de diseño cuya finalidad es la mejora en la distribución y la presión
del gas.
Diferentes tipos de diseño: (a) Serpentín (b) Paralelo (c) Fractal
Tradicionalmente, la estructura de los canales se ha construido de forma paralela o en
forma de serpentín.
En los modelos con forma de serpentín debido a su longitud, se crean unas altas presiones
en su interior. En los flujos con canales paralelos hay menos diferencias de presión, pero la
mezcla es menos homogénea.
La estructura en fractales es una solución intermedia ya que permite la distribución con
una baja presión y distribuye mejor el gas.
Capa difusora de gas (GDL)
La “Gas Difusor Layer” o capa difusora de gas, permite distribuir de manera homogénea el
gas para que alcance con mayor eficacia la capa catalizadora y que se pueda realizar con
mayor velocidad los procesos electroquímicos, además ha de ser buena conductora para
transportar los electrones desde la capa del catalizador hacia las placas bipolares y
viceversa.
La capa difusora tiene una doble función, aparte de distribuir el gas de manera
homogénea ha de repeler el agua que se forma en la reacción.
Generalmente se construye con papel de carbón, a menudo la capa es recubierta con
partículas de teflón asegurando de ésta manera que el agua producida no entre en los
poros por donde se difunde el gas.
Catalizador:
En esta capa se produce la disociación de las moléculas, ha de estar fabricada con un
material que favorezca la reacción, para ello se han de utilizar catalizadores de platino o
similares tales como (Ru, Mo, Pb, Rh, Ir, Re).
La eficiencia de los catalizadores se ha visto incrementada disminuyendo 4 veces la
cantidad necesaria, pasado de utilizarse 4mg de PT por cm2 a utilizar 0,5 mg/cm2.
Membrana PEM
Protón Exchange Membrane o membrana intercambiadora de protones.
A través de ella circulan únicamente los iones de hidrógeno, evitando el paso de
electrones o de las propias moléculas de hidrógeno y oxígeno.
Esta hecha de un material consistente en un polímero fluocarbonado a modo de
estructura, donde se fijan ciertos ácidos sulfónicos , uno de los electrólitos mas conocido
es el "nafion" un polímero perfluorado con grupos sulfonato polares.
Las membranas han de estar correctamente humidificadas, puesto que las moléculas de
agua promueven el transporte de protones, cuando las membranas no se encuentran
correctamente hidratadas, se produce una resistencia al paso de iones por lo que se
reduce el rendimiento, además disminuye la vida útil. Para evitar este problema, en
algunos casos se utilizan humidificadores externos que introducen el gas con cierto nivel
de humedad, que ha de ser regulado para evitar el efecto flooding. (Taponamiento de los
poros de la capa difusora.) Otra opción es gestionar el agua que se genera tras la reacción
para humedecer las membranas.
Se esta investigando el diseño de membranas auto humidificadoras basadas en la
recuperación procurando que parte del agua se genere dentro de las membranas. Una
tercera opción es la introducción de una nueva capa de gestión de agua, llamada WML,
entre la capa catalizadora y la capa difusora de gas.
Comparación de la variación de la conductividad den diversas membranas según la humidificación (RH = Humedad
relativa (%)) Datos obtenidos a 80°C
MEA
Membrane Electrode Assemby.
La capa difusora de gas junto con la capa catalizadora y la membrana han de estar en una
perfecta unión para aprovechar el espacio y evitar perdidas, es por eso por lo que tras un
proceso termomecánico se unen las capas formando la MEA, puede tener un grosor de
200 micras, pero según la aplicación y la densidad de corriente que se pretende obtener,
el grosor varía.
Imágenes MEA fabricada con "nafion"
Configuración stack pila de combustible de 5 células
En la figura anterior se muestra un stack de 5 células de combustible, como se puede
observar se compone de las 2 placas de cierre, cuya función es cerrar el stack por ambos
extremos y fijar en ellos los terminales de conexión de la pila, las placas de cierre han de
tener una buena conductividad eléctrica y resistencia mecánica ya que son las placas
donde se ejerce mayor presión mecánica, en éstas placas se realiza el mecanizado para
instalar las tomas de gas.
A continuación de las placas de cierre se encuentra la MEA (Membrane Exchange
Assembly) y posteriormente la placa bipolar, este tipo de placa ha de tener también una
resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica. Como se puede ver en la figura, por
un lado de la placa circula el Hidrógeno y por el otro el oxígeno, conectando las MEA y las
placas bipolares, se puede hacer un stack con el número de células o celdas que interese
para obtener la tensión deseada.
Recordemos que la diferencia de potencial o tensión se consigue mediante el número de
celdas conectadas en serie (tal cual se encuentran conectadas en el stack de la figura),
mientras que la intensidad o corriente eléctrica la fija la superficie total de la MEA.
En la figura, se muestra el paralelismo que hay entre un stack y la simbología de una
batería, en ambos casos se trata de una pila de 5 celdas, esto es que en el hipotético caso
de que cada celda tuviese una diferencia de potencial de 0,7Vcc, la diferencia de potencial
de la pila sería de aproximadamente 0,7 X 5 = 3,5Vcc.
Finalmente la pila de combustible tiene un aspecto similar al de las imágenes que se
muestran bajo el texto.
Animación stack
Stack experimental