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Resumo:
Uno de los principales retos de la sociedad actual es la evolucin de sectores como el energtico y el de la automocin a un modelo sostenible, responsable con el medio ambiente y con la salud de los ciudadanos. Una de las posibles alternativas, es la célula de combustible de hidrgeno, que transforma la energa qumica del combustible (hidrgeno) en corriente continua de forma limpia y eficiente. De entre todos los tipos de célula, gana especial relevancia la célula de membrana polimrica (PEM), que por sus caractersticas de peso, temperatura de trabajo y simplicidad; se presenta como una gran alternativa para el sector de la automocin entre otros. Por ello, el objetivo de este trabajo es ahondar en el conocimiento de la célula de combustible PEM. Se estudiarn los fundamentos tericos que permitan comprender su funcionamiento, el papel de cada uno de los elementos de la célula y cmo varan sus caractersticas el funcionamiento general de la misma. Tambin se estudiar la caracterizacin elctrica, por su papel crucial en la evaluacin del desempeo de la célula y para la comparacin de modificaciones introducidas en ella. Adems, se realizar una aplicacin prctica en colaboracin con los proyectos de fin de mster y doctorado de otros estudiantes del Politcnico de Miln, para implementar las tcnicas aprendidas de caracterizacin elctrica en una célula trabajando con diferentes tipos de lminas de difusin gaseosa (GDL y GDM) preparadas por estudiantes. Los resultados de la caracterizacin, permitirn analizar las virtudes de dos modificaciones en la composicin clsica de la célula, con el fin de mejorar la gestin del agua que se produce en la zona catdica durante la reaccin, disminuyendo los problemas de difusin a altas densidades de corriente y la consiguiente prdida de potencial en la célula. Las dos modificaciones son: la inclusin de una lmina de difusin microporosa (MPL) a la lmina macroporosa habitual (GDL), y el uso de diversos polmeros con mejores propiedades hidrfobas en el tratamiento de dichas lminas de difusin. La célula de combustible es un sistema de conversin de energa electroqumico, en el que se trasforma de forma directa, energa qumica en energa elctrica de corriente continua. En el catalizador de platino del nodo se produce la descomposicin de los tomos de hidrgeno. Los protones resultantes viajarn a travs de la membrana de conduccin protnica (que hace las veces de electrolito y supone el alma de la célula PEM) hasta el ctodo. Los electrones, en cambio, alcanzarn el ctodo a travs de un circuito externo produciendo trabajo. Una vez ambas especies se encuentran en el ctodo, y junto con el oxgeno que sirve como oxidante, se completa la reaccin, producindose agua. El estudio termodinmico de la reaccin que se produce en la célula nos permite calcular el trabajo elctrico terico producido por el movimiento de cargas a travs del circuito externo, y con l, una expresin del potencial terico que presentar la célula, que variar con la temperatura y la presin; Para una temperatura de 25C, este potencial terico es de 1.23 V, sin embargo, el potencial de la célula en funcionamiento nunca presenta este valor. El alejamiento del comportamiento terico se debe, principalmente, a tres tipos de prdidas bien diferenciadas: Prdidas de activacin: El potencial terico representa la tensin de equilibrio, para la que no se produce un intercambio neto de corriente. Por tanto, la diferencia de potencial entre el nodo y el ctodo debe alejarse del valor terico para obtener una corriente neta a travs del circuito externo. Esta diferencia con el potencial terico se denomina polarizacin de activacin, y conlleva una prdida de tensin en la célula. As pues estas prdidas tienen su origen en la cintica de la reaccin electroqumica. Prdidas hmicas: Es una suma de las resistencias elctricas en los elementos conductores, la resistencia en la membrana electroltica a la conduccin inica y las resistencias de contacto. Prdidas por concentracin: Estas prdidas se producen cuando los gases reactivos en el rea activa son consumidos en un tiempo menor del necesario para ser repuestos. Este fenmeno es crtico a altas densidades de corriente, cuando los gases reactivos son consumidos con gran velocidad, por lo que el descenso de concentracin de reactivos en los electrodos puede provocar una cada sbita de la tensin de la célula. La densidad de corriente para la cual se produce esta cada de potencial en unas condiciones determinadas se denomina densidad lmite de corriente. As pues, estas prdidas tienen su origen en los lmites de difusin de las especies reactivas a travs de la célula. Adems de la membrana electroltica y el catalizador, en la célula de combustible podemos encontrar como principales componentes los platos bipolares, encargados de conectar la célula elctricamente con el exterior y de introducir los gases reactivos a travs de sus conductos; y las lminas difusivas, que conectan elctricamente el catalizador con los platos bipolares y sirven para distribuir los gases reactivos de forma que lleguen a todo el rea activa, y para evacuar el exceso de agua que se acumula en el rea activa.La lmina difusiva, ms conocida como GDL, ser el argumento principal de nuestro estudio. Est conformada por un tejido de fibra de carbono macroporosa, que asegure el contacto elctrico entre el catalizador y el plato bipolar, y es tratada con polmeros para proporcionarle propiedades hidrfobas que le ayuden en la evacuacin de agua. La evacuacin del agua es tan importante, especialmente en el ctodo, porque de lo contrario, la cantidad de agua generada por la reaccin electroqumica, sumada a la humedad que portan los gases, puede provocar inundaciones en la zona activa del electrodo. Debido a las inundaciones, el agua obstruye los poros del GDL, dificultando la difusin de especies gaseosas y aumentando las prdidas por concentracin. Por otra parte, si demasiada agua se evaca del electrodo, se puede producir un aumento de las prdidas hmicas, ya que la conductividad protnica de la membrana polimrica, es directamente proporcional a su nivel de humidificacin. Con el fin de mejorar la gestin del agua de la célula de combustible, se ha aadido una capa microporosa denominada MPL al lado activo del GDL. Esta capa, constituida por una mezcla de negro de carbn con el polmero hidrfobo como aglutinante, otorga al GDL un mejor acabado superficial que reduce la resistencia de contacto con el electrodo, adems la reduccin del tamao de las gotas de agua al pasar por el MPL mejora la difusin gaseosa por la disminucin de obstrucciones en el GDL. Es importante tener cuidado en los tratamientos de hidrofobizacin de estos dos elementos, ya que, cantidades excesivas de polmero hidrfobo podran reducir demasiado el tamao de los poros, adems de aumentar las prdidas resistivas por su marcado carcter dielctrico. Para el correcto anlisis del funcionamiento de una célula de combustible, la herramienta fundamental es su caracterizacin elctrica a partir de la curva de polarizacin. Esta curva representa la evolucin del potencial de la célula respecto de la densidad de corriente, y su forma viene determinada principalmente por la contribucin de las tres prdidas mencionadas anteriormente. Junto con la curva de polarizacin, en ocasiones se presenta la curva de densidad de potencia, que se obtiene a partir de la misma. De forma complementaria a la curva de polarizacin, se puede realizar el estudio del circuito equivalente de la célula de combustible. Este consiste en un circuito elctrico sencillo, que simula las cadas de potencial en la célula a travs de elementos como resistencias y capacitancias. Estos elementos representas prdidas y limitaciones en los procesos qumicos y fsicos en la célula. Para la obtencin de este circuito equivalente, se realiza una espectroscopia de impedancia electroqumica (en adelante EIS), que consiste en la identificacin de los diferentes elementos a partir de los espectros de impedancia, resultantes de introducir seales de corriente alternas sinusoidales de frecuencia variable en la célula y observar la respuesta en la tensin. En la siguiente imagen se puede observar un ejemplo de la identificacin de los parmetros del circuito equivalente en un espectro de impedancia. Al final del trabajo, se han realizado dos aplicaciones prcticas para comprobar la influencia de las caractersticas hidrfobas y morfolgicas de los medios difusores en la gestin del agua en el ctodo y, por tanto, en el resultado elctrico de la célula; y como aplicacin prctica de las tcnicas de construccin y anlisis de las curvas de polarizacin y potencia y de la espectroscopia de impedancia electroqumica. El primer estudio prctico ha consistido en comprobar los beneficios de la inclusin de un MPL al GDL. Para ello se han caracterizado células funcionando con GDL y GDM (GDL+MPL) tratados con dos tipos diferentes de polmeros, PTFE y PFPE. Adems se han realizado las pruebas para diferentes condiciones de funcionamiento, a saber, temperaturas de 60 y 80C y niveles de humidificacin relativa de los gases reactivos de 80%-60% y 80%- 100% (A-C). Se ha comprobado con las curvas de polarizacin y potencia, cmo la inclusin de un MPL en el lado activo del GDL reporta una mejora del funcionamiento de trabajo en todas las condiciones estudiadas. Esta mejora se hace ms patente para altas densidades de corriente, cuando la gestin del agua resulta ms crtica, y a bajas temperaturas ya que un menor porcentaje del agua producida se encuentra en estado de vapor, producindose inundaciones con mayor facilidad. El segundo estudio realizado trata de la influencia del agente hidrofobizante utilizado en los GDMs. Se pretende comprobar si algn otro polmero de los estudiados, mejora las prestaciones del comnmente utilizado PTFE. Para ello se han caracterizado células trabajando en diferentes condiciones de trabajo (anlogas a las del primer estudio) con GDMs tratados con PTFE, PFPE, FEP y PFA. Tras el anlisis de las curvas de polarizacin y potencia, se observa un gran comportamiento del FEP para todas las condiciones de trabajo, aumentando el potencial de la célula para cada densidad de corriente respecto al PTFE y retrasando la densidad de corriente lmite. El PFPE tambin demuestra un gran aumento del potencial y la densidad de potencia de la célula, aunque presenta mayores problemas de difusin a altas densidades de corriente. Los resultados del PFA evidencian sus problemas en la gestin del agua a altas densidades de corriente, especialmente para altas temperaturas. El anlisis de los espectros de impedancia obtenidos con la EIS confirma los resultados de las curvas de polarizacin y evidencian que la mejor alternativa al PTFE para el tratamiento del GDM es el FEP, que por sus mejores caractersticas hidrfobas reduce las prdidas por concentracin con una mejor gestin del agua en el ctodo.
