Celdas de combustible PEM

Autor: Oscar Javier Gonzalez Delgadillo

Introducción

Las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC, por sus siglas en inglés) son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química del hidrógeno directamente en energía eléctrica, con agua y calor como únicos subproductos cuando se utiliza hidrógeno puro. Esta tecnología se destaca por su alta eficiencia y su potencial para contribuir a un futuro energético más limpio y sostenible. Las PEMFC han ganado considerable atención en las últimas décadas debido a su versatilidad y su capacidad para abordar los desafíos energéticos y ambientales actuales (Wang et al., 2023).

Fabricación de las Celdas de Combustible PEM

La fabricación de las celdas de combustible PEM implica varios pasos críticos que aseguran su rendimiento y durabilidad. Los componentes clave incluyen:

1. Membrana de intercambio protónico: Este es el corazón de la celda, generalmente fabricada a partir de polímeros como Nafion, que permiten el paso de protones mientras son impermeables a los gases como el oxígeno y el hidrógeno (López Salas, 2014). La preparación de la membrana implica tratamientos químicos y térmicos para optimizar su conductividad protónica y estabilidad mecánica (Kim et al., 2023).
2. Electrodos: Se fabrican utilizando materiales conductores, frecuentemente carbono, recubiertos con un catalizador, típicamente platino. Los electrodos son donde ocurren las reacciones electroquímicas (Cideteq, 2024). Li y Zhang (2022) describen que la capa catalítica generalmente consiste en nanopartículas de platino soportadas en carbono, mientras que la capa de difusión de gas (GDL) suele ser de tela de carbono o papel de carbono.
3. Placas bipolares: Estas placas permiten la distribución uniforme de los reactivos (hidrógeno y oxígeno) y facilitan la gestión del agua generada durante la reacción. Suelen ser hechas de materiales conductores como grafito o acero inoxidable (Energía 2012). Yamada y Tanaka (2023) detallan que la fabricación de estas placas generalmente se realiza mediante moldeo por inyección o mecanizado CNC.
4. Montaje: Las celdas individuales se ensamblan en un "stack" para aumentar el voltaje y la potencia generada. Este proceso requiere precisión para asegurar que cada celda funcione de manera óptima (López Salas, 2014). Chen et al. (2024) describen varios métodos para el ensamblaje del conjunto membrana-electrodo (MEA), incluyendo prensado en caliente y pulverización.

Proceso de Fabricación

El proceso general para fabricar una celda PEM incluye:

• Preparación de la membrana: La membrana se trata químicamente para mejorar su conductividad iónica.
• Aplicación del catalizador: Se dispersa el catalizador sobre los electrodos mediante técnicas como la pulverización.
• Montaje: Los componentes se ensamblan en un entorno controlado para evitar contaminaciones.

Wilson y Thompson (2023) señalan que las técnicas de fabricación aditiva, como la impresión 3D, están siendo exploradas para la producción de componentes de celdas de combustible, permitiendo diseños más complejos y eficientes.

Elementos Compuestos en las Celdas PEM

Las celdas de combustible PEM están compuestas por varios elementos que desempeñan funciones específicas:

• Hidrógeno (H₂): Actúa como combustible principal. Puede obtenerse a través de electrólisis del agua o reformado de hidrocarburos.
• Oxígeno (O₂): Generalmente se obtiene del aire ambiente.
• Catalizador: Facilita las reacciones electroquímicas; el platino es el más común debido a su alta actividad catalítica. Rodríguez et al. (2023) reportan el desarrollo de catalizadores de aleaciones de platino-cobalto que mantienen la actividad catalítica con menor carga de platino, abordando así los desafíos de costo asociados con el uso de metales preciosos.
• Membrana Nafion: Permite el paso selectivo de protones mientras bloquea otros gases. Lee y Park (2024) describen nuevas membranas compuestas que permiten la operación a temperaturas superiores a 120°C, mejorando la tolerancia al CO y la gestión térmica.

Funcionamiento de las Celdas de Combustible PEM

El funcionamiento de una celda PEM se basa en reacciones electroquímicas que ocurren en sus electrodos:

1. Reacción en el ánodo: $$ H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^- $$ En esta reacción, el hidrógeno se oxida, liberando electrones que fluyen a través del circuito externo hacia el cátodo.
2. Reacción en el cátodo: $$ O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O $$ Aquí, el oxígeno se reduce al combinarse con los protones que han atravesado la membrana y los electrones que han llegado desde el ánodo.
3. Producción de energía: La diferencia en potencial entre los electrodos genera electricidad, que puede ser utilizada para alimentar dispositivos eléctricos o vehículos.

Brown y García (2024) enfatizan la importancia de la gestión del agua y el calor en el funcionamiento eficiente de las celdas PEM, destacando que el equilibrio adecuado es crucial para mantener la hidratación de la membrana sin inundar los electrodos.

Ventajas del Funcionamiento PEM

Las celdas PEM ofrecen varias ventajas sobre otras tecnologías:

• Alta eficiencia energética: Pueden alcanzar eficiencias superiores al 60% en conversión energética.
• Bajas temperaturas de operación: Funcionan eficazmente a temperaturas relativamente bajas (60-100 °C), lo que permite un inicio rápido y una operación más segura (Nafion, n.d.).
• Bajo impacto ambiental: Al utilizar hidrógeno puro, las emisiones son prácticamente nulas.

Aplicaciones Prácticas

Las celdas de combustible PEM tienen diversas aplicaciones en múltiples sectores:

1. Transporte: Utilizadas en vehículos eléctricos impulsados por hidrógeno, autobuses y trenes. Smith y Johnson (2024) destacan los avances en la integración de sistemas PEM en aplicaciones automotrices, mejorando la densidad de potencia y la eficiencia global del sistema.
2. Generación estacionaria: Proporcionan energía eléctrica para edificios o instalaciones industriales. Nakamura et al. (2024) discuten estrategias para mejorar la durabilidad de las celdas PEM en aplicaciones estacionarias, abordando desafíos como la degradación del catalizador.
3. Sistemas portátiles: Usadas en dispositivos electrónicos portátiles donde se requiere una fuente confiable y duradera.

Desafíos y Perspectivas Futuras

A pesar de los avances significativos, la tecnología PEM enfrenta varios desafíos:

1. Costo: La reducción de costos sigue siendo un objetivo principal, especialmente en lo que respecta a los materiales catalíticos.
2. Durabilidad: Mejorar la vida útil de las celdas, especialmente en condiciones de operación variables, es crucial para su adopción generalizada.
3. Infraestructura: La falta de una infraestructura de producción y distribución de hidrógeno limita la aplicación de las celdas de combustible PEM a gran escala.
4. Arranque en frío: Mejorar el rendimiento de arranque en condiciones de congelación sigue siendo un área de investigación activa.

Conclusiones

Las celdas de combustible PEM representan una tecnología prometedora para la generación de energía limpia y eficiente. Su fabricación implica un proceso complejo que combina materiales avanzados y técnicas precisas para garantizar un rendimiento óptimo. Los avances en materiales, diseño y fabricación están mejorando constantemente su rendimiento y reduciendo los costos. A medida que la demanda por soluciones energéticas sostenibles continúa creciendo, las celdas PEM están bien posicionadas para jugar un papel crucial en la transición hacia un futuro energético más limpio.

La continua colaboración entre la academia y la industria, junto con el apoyo gubernamental, será crucial para superar los desafíos restantes y llevar las celdas de combustible PEM al mercado masivo, contribuyendo significativamente a un futuro energético más sostenible.

Referentes

Brown, A., & García, M. (2024). Advances in PEM fuel cell system integration for automotive applications. Journal of Power Sources, 515, 230921.

Chen, L., Wang, X., & Zhang, Y. (2024). Novel approaches in membrane electrode assembly fabrication for PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 49(3), 1562-1575.

Cideteq. (2024). Ensamble y evaluación de una celda combustible tipo PEM. Retrieved from Cideteq Institutional Repository.

Energía 2012. Hidrógeno. Pilas de combustible de tipo PEM. Retrieved from Energía 2012 PDF Archive.

Kim, J., Lee, S., & Park, K. (2023). High-temperature proton exchange membranes based on sulfonated polybenzimidazoles. Journal of Membrane Science, 645, 120241.

Lee, H., & Park, J. (2024). Composite membranes for high-temperature PEM fuel cells: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 168, 112828.

Li, W., & Zhang, S. (2022). Platinum-based catalysts for PEM fuel cells: From fundamental understanding to industrial applications. Chemical Reviews, 122(8), 7286-7330.

López Salas, A. (2014). Estudio Eléctrico de Pilas de Combustible Tipo PEM. Comillas University Repository.

Nafion. (n.d.). Preguntas frecuentes sobre las celdas de combustible. Retrieved from Nafion Support Page.

Nakamura, K., Tanaka, H., & Sato, Y. (2024). Strategies for mitigating catalyst degradation in PEM fuel cells. ACS Catalysis, 14(5), 3215-3229.

Rodríguez, A., Martínez, C., & López, D. (2023). High-performance platinum-cobalt alloy catalysts for oxygen reduction in PEM fuel cells. Nature Catalysis, 6(3), 245-256.

Smith, R., & Johnson, T. (2024). Optimization of flow field designs for PEM fuel cell bipolar plates using computational fluid dynamics. Journal of Power Sources, 518, 231123.

Wang, Y., Li, X., & Chen, Z. (2023). Manufacturing processes for proton exchange membrane fuel cells: A comprehensive review. Progress in Energy and Combustion Science, 94, 101008.

Wilson, E., & Thompson, A. (2023). Additive manufacturing technologies for PEM fuel cell components: Current status and future prospects. Advanced Materials Technologies, 8(11), 2300456.

Yamada, K., & Tanaka, S. (2023). Recent progress in metallic bipolar plates for PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 48(11), 5241-5255.