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FECHA
MANUAL DE INSTRUCTIVOS DE TRABAJO
08
PRACTICA SISTEMA SOLAR HIDRÓGENO
Día
INSTRUCTIVO DE TRABAJO:
OPERACIÓN DEL SISTEMA SOLAR-HIDRÓGENO-CELDA
DE COMBUSTIBLE
08
2013
Mes
Año
NUMERO
2010BPSHPC-01
VIGENCIA DEL INSTRUCTIVO DE TRABAJO
A PARTIR DE:
08 – 08 – 2013
Día
Mes
Año
PRÁCTICA DE LABORATORIO
INSTRUCTIVO DE TRABAJO
MDR-BPSHPC-ESIQIE
Revisión 01 - 2013
NOMBRE DEL INSTRUCTIVO DE TRABAJO
SISTEMA SOLAR-HIDRÓGENO-CELDA DE COMBUSTIBLE
BITACORA DE CAMBIOS
REVISIÓN
ACUERDO
DIA
FECHA
MES
AÑO
DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO AL PROCEDIMIENTO
TÉCNICO
ELABORÓ:
REVISÓ:
APROBÓ:
ING ARMANDO YUNEZ CANO
Coordinador Práctica
DR. MIGUEL TUFIÑO
VELAZQUEZ
Evaluador de la Práctica
DRA. ROSA DE GUADALUPE
GONZÁLEZ HUERTA
Responsable del Proyecto
2006320568-01
1
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INDICE
1. INTRODUCCIÓN
3
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
4
2.1. Principio de operación y curvas características del sistema solar-hidrógeno
5
2.1.1. Sistema fotovoltaico
5
2.1.2. Electrolizador
9
2.1.3. Celda de combustible
13
3. COMPONENTES DEL SISTEMA Y DESCRIPCIÓN TÉCNICA
17
3.1. PANEL SOLAR
17
3.2. ELECTROLIZADOR
18
3.3. ALMACENAMIENTO DE GASES
18
3.4. CELDA DE COMBUSTIBLE
19
3.5. CAJA DE RESISTENCIAS
20
4. PRECAUCIONES
21
5. PROCEDIMIENTO DE CARACTERIZACIÓN
22
5.1. CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR SERIE-PARALELO
22
5.2. CARACTERIZACIÓN DE UN ELECTROLIZADOR
25
5.3. CARACTERIZACIÓN DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
28
6.- CUIDADOS EN LA INSTALACIÓN
31
7.- POSIBLES FALLAS
31
8. REFERENCIAS
32
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1. INTRODUCCIÓN
Uno de los principales problemas ambientales en los últimos años es la generación de
energía con fuentes convencionales y su consumo desmedido, provocando así la
contaminación del suelo, agua, aire y sistemas ecológicos. El abuso por la sobreexplotación y el uso de los combustibles fósiles han provocado serios daños al medio
ambiente debidos a la emisión de gases contaminantes de efecto invernadero, entre los
daños más severos tenemos el calentamiento global del planeta, derrames de combustible
en el mar, contaminación ambiental en las ciudades entre muchos otros.
Por otra parte se sabe que los combustibles fósiles se agotarán en algún momento por lo
que es de vital importancia establecer estrategias y emprender acciones inmediatas que
nos permitan asegurar en un futuro cercano ser autosuficientes para satisfacer la demanda
en energía que nuestro país requerirá en el mediano y largo plazo. El incremento de la
demanda energética requiere de nuevos desarrollos en la capacidad de generación de
energía, que sea segura, diversificada, disponible y limpia.
Desarrollando fuentes de energía renovables, se tiene la oportunidad de contribuir al
esfuerzo internacional de cuidar el medio ambiente, si no también de lograr la
autosuficiencia energética y al mismo tiempo obtener beneficios económicos y sociales
con base en el uso de estas nuevas tecnologías que están innovándose en la forma en que
se produce la energía y se consume.
El propósito principal en el desarrollo de este sistema consiste en combinar esfuerzos para
contribuir en la adquisición de conocimientos considerando nuevas tecnologías que son
necesarias para resolver problemas relacionados con contaminación y la escases de las
fuentes de energía no renovables, utilizando un banco de prueba de un sistema solarhidrógeno-celda de combustible.
El uso de celdas de combustible en un ciclo cerrado con el aprovechamiento de energía
renovable es la base del término denominado “economía del Hidrógeno”. Este término se
maneja con el fin de describir un panorama diferente, donde los problemas de
contaminación sean resueltos y nuestras necesidades energéticas sean cubiertas en forma
permanente y segura, sin necesidad de dañar el medio ambiente. La transición hacia una
economía del hidrogeno puede poner fin a la dependencia del petróleo.
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Tener mayor conocimiento de estas nuevas tecnologías contribuirá en el incremento de la
productividad del país y su competitividad así como en el crecimiento económico y social
por la consolidación de energía autosuficiente a largo plazo. Esto también da solución a los
problemas de ahorro en recursos no renovables introduciendo paulatinamente la
producción y uso de este tipo de fuentes de energía renovables.
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema que se está proponiendo genera energía limpia y renovable sin la utilización de
combustibles fósiles que provocan contaminación.
El sistema está integrado por un módulo fotovoltaico-electrolizador-celda de combustible.
El módulo fotovoltaico genera energía eléctrica para que un electrolizador produzca H 2 y
O2, los cuales se alimentan a una celda de combustible que produce agua y energía
eléctrica generando un ciclo ecológico de producción-consumo de energía limpia y
sustentable.
Con este sistema se demuestra como generar un ciclo cerrado de energía (economía del
hidrógeno). Se inicia en los paneles solares que con ayuda de lámparas simulan la energía
solar. Los paneles solares están conectados en paralelo, cada uno de ellos trabaja con 100
mA y 4.5 Volts por lo que al final se cuenta con 300mA y 4.5 volts. Con la energía generada
se inicia la electrolisis del agua para producir el combustible, que será el hidrogeno; los
gases generados (H2 y 02) se irán directamente a los tanques de almacenamiento. Una vez
almacenados se alimentan a la celda de combustible para que finalmente se genere la
energía eléctrica para mover el motor de baja potencia que estará conectado a ella.
Para saber si se tiene los paneles necesarios y si el electrolizador y la celda de combustible
generarán la energía necesaria para mover el motor, se hacen las caracterizaciones de
cada uno de los componentes del sistema.
Las forma de operar de cada componente es diferente, es necesario obtener la curva
característica, para saber qué punto es el óptimo para que trabajen los paneles solares, el
electrolizador y la celda de combustible; también ayudará para observar en qué momento
empiezan a desgastarse los componentes, en especial
el electrolizador y la celda de
combustible para reemplazar los componentes desgastados. Los principales componentes
del sistema son: modulo solar, electrolizador, tanques para almacenamiento de gases
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(hidrógeno y oxígeno), celda de combustible y finalmente el servicio que se va a satisfacer,
en este caso es un motor de baja potencia.
2.1. Principio de operación y curvas características del sistema solarhidrógeno
Las curvas de desempeño de este sistema sirven para saber las condiciones óptimas a las
que trabaja cada dispositivo, los cuales se caracterizan por separado, para ver que el
acoplamiento entre ellos es el indicado. Las curvas características toman un papel
importante, debido a que con ellas se puede analizar la capacidad de operación de
cada dispositivo y determinar si logrará el desempeño indicado o queda sobrado para el
servicio que se requiere suministrar.
Cada dispositivo tiene un procedimiento para su caracterización y se requiere conocer su
principio de operación y las curvas teóricas de cada uno.
2.1.1 Sistema fotovoltaico
Se entiende como sistema fotovoltaico (SFV) al grupo de componentes (debidamente
acoplados) necesarios para aprovechar la radiación solar en forma de energía eléctrica,
esto gracias al efecto fotovoltaico. Un SFV convencional consta de los siguientes
componentes.
Celdas fotovoltaicas (FV): Son dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica
mediante un fenómeno denominado “efecto fotovoltaico”, el cual es posible gracias a las
propiedades de los materiales semiconductores de los cuales están fabricadas; la energía
generada por dichas celdas corresponde a lo que se denomina corriente directa (CD), es
decir con polaridad fija. En el mercado comercial se pueden encontrar diferentes tipos de
celdas solares según su diseño y material semiconductor, los tipos más importantes de
celdas solares se muestran en la Figura 1a.
Las celdas FV tienen una producción eléctrica limitada, por ello se pueden emplear en
equipos pequeños como juguetes, relojes, calculadoras, etc, pero cuando se requiere
aumentar la salida de voltaje y amperaje de una fuente, las celdas individuales se pueden
unir eléctricamente en diferentes formas como módulos, paneles y arreglos fotovoltaicos,
Figura 1b.
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Figura 1a Paneles FV más comunes en el mercado y 1b Estructuras sistema fotovoltaico.
Un módulo FV, es el conjunto básico de celdas FV donde se puede incluir menos de una
docena hasta cerca de 100 celdas, un panel FV, es un conjunto de módulos fotovoltaicos
diseñados para cumplir con una demanda específica de potencia y un arreglo FV, es la
combinación de paneles conectados como arreglos en serie y/o en paralelo que integran
un sistema fotovoltaico.
Un módulo FV es un dispositivo electrónico conformado por materiales semiconductores
(generalmente silicio puro con adición de impurezas químicas como boro y fosforo) del tipo
“n-p” transforma la radiación solar directamente en energía eléctrica. El efecto
fotovoltaico se genera cuando la incidencia de fotones (luz solar) sobre la superficie de la
celda genera un voltaje (0.46 a 0.48 voltios) entre sus terminales igual o mayor que la
banda prohibida del semiconductor produciendo portadores de carga libre y al mismo
tiempo una corriente (2 a 4 Amperes) que circula por un circuito externo produciendo así
una potencia P=V*I que puede ser utilizada para energizar cualquier equipo, accesorio o
aparato eléctrico, Figura 2.
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P = V*
I
Figura 2. Representación esquemática del efecto FV.
En forma teórica la corriente total esperada en un módulo fotovoltaico iluminado, con una
resistencia de carga que produzca un voltaje de autopolarización, V, se expresa en la
ecuación 1:
I = IL- Io [exp (V/VT) – 1]
(1)
Donde I L es la corriente de corto circuito (máxima corriente generada en el sistema),
causada por la luz incidente, depende del material y de las propiedades tales como
movilidad y tiempo de vida de los portadores minoritarios, I o representa el valor de la
corriente de saturación, la cual es la corriente que fluye cuando se polariza el diodo en
forma inversa. Depende de la intensidad del campo eléctrico en la unión (n-p), y éste a su
vez de la concentración de impurezas introducidas en cada lado. Debido a la gran
cantidad de electrones y huecos libres, en cada lado de la interfase, cualquier variación
en la polarización (positiva), causará un cambio muy grande de la corriente medida.
Experimentalmente, se ha confirmado que en una celda fotovoltaica la corriente varia con
el volteje externo de manera exponencial. La corriente de saturación típicamente es muy
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pequeña; por ejemplo, en diodos de silicio puede ser del orden de 1 X 10 -13 A cm-2. VT se le
conoce como el potencial térmico, mide la energía térmica de los electrones y huecos
dentro del material. A temperatura ambiente, VT es del orden de 0.025 V. Con base a la
ecuación 1 se puede calcular que la corriente de un diodo de 1 cm 2, cuando el voltaje
externo es 0.6 V, es del orden de 0.00265 A, en cambio, si el voltaje externo aumente a
0.8V, la corriente aumenta hasta 7.9 A, lo cual da una idea de la rapidez con que crece la
corriente en este rango de voltajes. En la Figura 3 se muestra la curva característica de una
celda de alta eficiencia de una celda solar de acuerdo a lo expresado por la Ecuación 1.
Figura 3. Curva de desempeño corriente-voltaje de una celda solar de alta eficiencia.
La potencia generada por una celda solar se define como la corriente por el voltaje. Existe
un punto donde la potencia tiene un valor máximo (P max). Este punto corresponderá a un
voltaje máximo, Vmax, y a una corriente máxima, I max. Cuando un sistema está integrado a
una celda solar, se debe operar la celda alrededor de la potencia máxima, Ecuación 2:
Pmax = Vmax I max
(2)
Cuando una celda está iluminada, pero con sus extremos abiertos, la corriente neta será
cero, pues no habrá un circuito cerrado en el que pueda fluir corriente alguna. Sin
embargo, se ha visto que la iluminación tiende a producir una corriente debida a los
portadores generados por la luz. La única forma de que la corriente total sea cero, es que
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existe una corriente de igual magnitud pero de sentido contrario a la corriente de
iluminación. En otras palabras habrá un fotovoltaje tal que la corriente total sea cero. A
este fotovoltaje se le conoce como voltaje a circuito abierto, Ecuación 3:
VCA = Vt Log ( I L/Io + 1)
(3)
Los parámetros importantes para caracterizar una celda solar son: La corriente de corto
circuito (CCC), el voltaje a circuito abierto (VCA) y la potencia máxima (Pmax). Para
caracterizar los módulos fotovoltaicos se requiere obtener la curva característica corriente
(i) vs voltaje (V), a través de esta curva se obtiene su desempeño óptimo y con esto se
determinar la cantidad de módulos que se necesitan para un servicio específico, arroja
ventajas como el ahorro ya que algunas veces se llega a comprar más sistemas de los que
se necesitan. Cabe mencionar que el desempeño de un módulo solar depende de
muchos factores como son: inclinación, intensidad de la luz, epoca del año, temperatura,
etc. El alcance de este trabajo solo incluye obtener la curva caracteristica a condiciones
óptimas.
2.1.2. Electrolizador
El fenómeno de electrólisis consiste en provocar una reacción no espontanea de
reducción-oxidación mediante la aplicación
de corriente continua. La reacción de
descomposición del agua para generar hidrógeno y oxígeno gaseosos, Ecuación 4,
requiere un cambio de energía libre de gibbs, que en condiciones estándar toma el valor
de: ∆G° 47.4 kJ/mol.
2H2iO(L)
2H2(g) + O2(g)
--------------------------------------------------- (4)
Para la ruptura de la molécula de agua es necesario aplicar un potencial eléctrico mínimo
en el electrolizador (potencial de equilibrio) para poder vencer el ∆G° en condiciones
dadas, por lo tanto el voltaje mínimo para que se lleve a cabo este rompimiento es de 1.23
V, esto es debido a la diferencia de los potenciales reversibles de las dos semireacciones
presentes (desprendimiento de H2
y O2
respectivamente), pero la utilización de esa
diferencia de potencial reversible (E°electrolizador= -1.23V) no conduce a la producción de
gases ya que el sistema no se encuentra en equilibrio termodinámico. Para que exista un
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desprendimiento de gases es necesario aplicar una diferencia de potencial mayor al
voltaje termo-neutral (V°tn= -1.48V), que dependerá de la cantidad de gases que se
requieran obtener (corriente circulando por el electrolizador).
Las semireacciones que se efectúan en el electrolizador son las siguientes:
Ánodo:
Cátodo:
H2iO(L)
1/2O2(g) +2H+ + 2e-
2H+ + 2e
H2 (g)
E°= 1.23 V ----------------(5)
E°= 0V -------------------(6)
En la Figura 4 se muestra un diagrama del funcionamiento de un electrolizador PEM. En la
membrana de intercambio protónico, se observa que al aplicar el potencial en el ánodo
se producen burbujas de oxigeno gaseoso (reacción de oxidación), los protones viajan a
través de la membrana llegando al cátodo donde burbujas de hidrógeno se desprenden
como gas (reacción de reducción).
ELECTRODOS
Figura 4. Funcionamiento del electrolizador PEM
Las partes que constituyen un electrolizador de membrana de intercambio protónico son: 2
carcasas que conforman el ánodo y el cátodo, 2 mallas distribuidoras de corriente, 2 sellos,
2 difusores de gas y el MEA( ensamble membrana electrodos), Figura 5.
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Figura 5. Componentes de un electrolizador PEM.
Matemáticamente, para un electrolizador la expresión del potencial real aplicado, Ecelda,
para un cierto valor de corriente total, I, está representado en la Ecuación 7:
0
Ecelda  Ecelda
 c (i)  a (i)  IR solcirc
(7)
Donde c(i) y a(i) son los sobrepotenciales catódico y anódico de cada electrodo a una
densidad de corriente dada (I), ya que existe una limitación impuesta por las velocidades
finitas de las reacciones electródicas, el concepto de sobrepotencial es la diferencia del
potencial reversible y el potencial observado. A potenciales cercanos al potencial
termoneutral y baja intensidad de corriente, existe un comportamiento exponencial de la
corriente respecto al voltaje, esto implica que el proceso de electrólisis está controlado por
la transferencia electrónica entre el electrodo y los reactivos, por lo tanto la reacción de
evolución (generación, desprendimiento) de hidrógeno y la reacción de evolución de
oxígeno deben ser catalizadas por la superficie de los electrodos, a fin de minimizar estos
sobrepotenciales, probando distintos catalizadores, tanto el metal que se utiliza como sitio
activo, como su tamaño y morfología. El término IRsol+circ crece linealmente con (i) y
corresponde a las pérdidas debidas principalmente a la caída óhmica en el electrolito, en
el circuito eléctrico interno y externo así como a factores relacionados con la preparación
de los ensambles membrana electrodo y a la ingeniería del diseño de la celda. El punto
óptimo de desempeño debe ser en la zona de caída óhmica a potenciales no mayores de
5V, ya que un mayor voltaje de operación de una celda electrolítica promueve procesos
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de corrosión, lo que trae consigo la necesidad del uso de materiales resistentes con
características especiales.
El voltaje de celda de un electrolizador en funcionamiento es la suma del potencial
reversible de la cupla H2/O2 y de otras dos contribuciones: Los sobrepotenciales de los
electrodos y el sobrepotencial de la caída óhmica, la Figura 6 muestra estos componentes
y sus dependencias con la corriente. El sobre potencial óhmico resulta de la existencia de
resistencias eléctricas en el interior de las celdas. Es necesario el desarrollo de electrodos
con geometría adecuada y de separadores de los gases con baja resistividad para
mantener la caída óhmica dentro de niveles aceptables.
Figura 6. Curva voltaje-corriente para un electrolizador.
La eficiencia que tiene el electrolizador se obtiene de la producción de hidrógeno del
sistema a un voltaje y una corriente especifico durante un tiempo determinado, utilizando
la ecuación 8, Volumen a condiciones estándar, V° (25°C y 1atm.):
 1l   585mmHg   60 min
  298.15K 
hr
V   V expml  
 
 


 1000ml   760mmHg   t expmin   273.15  T 
 Nl 
 hr 
(8)
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Donde Vexpml es el volumen medido, texpmin es el tiempo en generar el V exp, T es la
temperatura ambiente y Nl son los litros normales de hidrógeno generados. Con el volumen
normalizado se obtiene la eficiencia en corriente, I, Ecuación 9:
V  96484
 
Nl
hr
I
As
eq
  2  100% 
eq
(9)
 I A   3600 hrs   24.4Nl 
Donde I A es la corriente a la cual se llevo a cabo la electrólisis y se debe mantener
constante durante todo el proceso. Finalmente se obtiene la eficiencia energética o de
voltaje, E, Ecuación 10:
E 
1.48V
 I
E expV
(10)
Donde Eexpv es el voltaje al cual se llevo a cabo la electrolisis y al igual que la corriente se
debe mantener constante para obtener una eficiencia correcta.
2.1.3. Celda de combustible
Las reacciones electroquímicas ocurren en la superficie del catalizador colocado entre el
electrodo y la membrana (superficie catalítica). El hidrógeno que es alimentando en un
lado de la membrana, se divide en sus constituyentes primarios (protones y electrones).
Cada átomo de hidrógeno está constituido por un electrón y un protón; los protones viajan
a través de la membrana y los electrones viajan a través de los electrodos conductores de
electricidad por medio de colectores de corriente y a través de un circuito externo, ellos
generan un trabajo útil y regresan por el otro lado de la membrana. En el catalizador
ubicado entre la membrana y el otro electrodo los electrones se encuentran con los
protones que circulan a través de la membrana y el oxígeno que es alimentado en ese
lado de la membrana. Se genera agua en esta reacción electroquímica y posteriormente
es expulsada de la celda con un exceso de flujo de oxigeno.
Las reacciones simultáneas que se tienen en la celda de combustible PEM son:
Ánodo
Cátodo
2H2
4e + 4H+ + O2
Reacción completa 2H2 + O2
4H+ + 4e - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - (11)
2H2O - - - - - - - - - - - - - - - - - - (12)
2H2O - - - - - - - -- - - - - - - (13)
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Cada monocelda está compuesta por platos con campos de flujo, sellos, mallas
colectoras de corriente, difusor de gases, ensamble membrana electrocatalizador, Figura
7. El corazón de una celda de combustible es un polímero (membrana de conductividad
protónica con un tamaño entre 50-175µm). En ambos lados de la membrana hay un
electrodo poroso; este electrodo debe ser poroso porque los gases reactantes son
realimentados y deben alcanzar la interfase entre los electrodos y la membrana, donde
tienen lugar las reacciones electroquímicas, dicha interfase recibe el nombre de superficie
catalítica. Al conjunto de la membrana y el electrodo se le denomina: Ensamble
membrana electrocatalizador (EME).
Figura 7. Partes de una celda de combustible
En una celda de combustible a medida que en los electrodos se alimentan los gases
reactantes, aparece una diferencia de potencial que, a circuito abierto, es igual al
potencial reversible de la cupla H2/O2, 1.23 V a 25°C. Sin embargo, si se conecta una carga
externa, el voltaje entre los electrodos es función de la corriente que está circulando e
igual al potencial reversible menos los componentes de polarización: por activación de los
electrodos, por concentración y por caída óhmica
El voltaje experimental se relaciona con el voltaje reversible a través de sobrevoltajes, que
son las pérdidas de voltaje, Vper, que aparecen durante la operación de la celda y se
describen de la siguiente manera:
V = Vr –Vper,
(14)
Vper = m + a +  + c,
(15)
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donde m es el sobrevoltaje mixto o entrópico, a es el sobrevoltaje de activación,  es el
sobrevoltaje por resistencia o caída óhmica y c es el sobrevoltaje por concentración
como se había descrito anteriormente. Durante todo el proceso de operación de la celda
existen los diferentes sobrevoltajes, pero conforme se obtiene una mayor densidad de
corriente, domina alguno de ellos, como se muestra en la Figura 8.
La Región 1 de la Figura 8 muestra las perdidas intrínsecas de una celda, principalmente
por las contribuciones entrópicas del sistema.
La Región 2 corresponde al sobrevoltaje mixto, m, que desplaza el voltaje a circuito
abierto (Vca voltaje experimental que se observa cuando la corriente es nula) del voltaje
reversible, por tres factores: 1) entrecruzamiento de gases de reacción, 2) voltajes mixtos
que resultan de corrientes farádicas que se producen en los electrodos, por los procesos
redox presentes en los catalizadores y 3) por la irreversibilidad de la reacción.
Figura 8. Gráfica de densidad de corriente vs voltaje de la celda y vs
potencia de la celda, muestra los sobrevoltajes existentes.
En la Región 3 existe un sobrevoltaje por activación, a, el cual tiene un comportamiento
semiexponencial, principalmente por la cinética lenta de las reacción en los electrodos.
Específicamente la reacción de reducción de oxígeno, RRO es 4 órdenes de magnitud más
lenta que la oxidación del hidrógeno, por lo que la activación del ánodo es prácticamente
despreciable en relación a la del cátodo. De lo anterior se confirma la importancia de
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encontrar nuevos electrocatalizadores para mejorar la cinética de la reacción de
reducción de oxígeno en el cátodo. Es importante resaltar que los electrodos se construyen
con dos capas porosas, la capa difusora colocada del lado del gas y la capa catalizadora
colocada en contacto con el electrolito. La capa difusora cumple las funciones básicas de
distribuir el gas reactante, facilitar la remoción de los productos y conectar eléctricamente
la capa catalizadora a los circuitos eléctricos externos. La capa catalizadora cumple la
función de promover eficientemente las reacciones electroquímicas.
En la Región 4, de la Figura 8, el sobrevoltaje por caída óhmica, , surge principalmente
por la resistencia a la conducción protónica desde el ánodo, a través de la membrana
polimérica, hasta el cátodo y por los contactos eléctricos. El comportamiento de la
disminución del voltaje conforme se incrementa la densidad de corriente es lineal, por lo
que representa una resistencia óhmica dentro de un circuito eléctrico. A la polarización por
caída óhmica contribuyen también resistencias eléctricas en el interior de las celdas. Para
mantener la polarización óhmica pequeña, los electrodos se construyen de forma que
posean alta conductividad eléctrica, por otro lado el electrolito sólido que separa los
electrodos debe ser los más delgado posible, pero que sea impermeable a los gases de
reacción y debe tener una buena resistencia mecánica y química. En este caso el espesor
de la membrana Nafion® 115 utilizada es de 0.125 mm.
Finalmente, la Región 5 representa el sobrevoltaje de concentración, c. A altas
densidades de corriente todo el reactivo que llega a la superficie del electrocatalizador se
convierte a producto, por lo que este sobrevoltaje se debe principalmente a la baja
velocidad de transporte de los gases reactivos, H2 y O2, a través de los difusores y poros de
las capas del
electrocatalizador. La polarización por concentración resulta del
agotamiento del gas reactante en la interfaz del electrodo/electrolito. Esto ocurre por el
consumo del gas reactante a través de la reacción electródica durante la operación del
sistema, problema que baja la accesibilidad de los gases a los electrodos. Es primordial que
los electrodos sean porosos y que tengan una elevada área interfacial para garantizar un
acceso fácil y continuo de los reactantes gaseosos.
En resumen las investigaciones de las celdas de combustible deben de estar dirigidas a
disminuir cada uno de estos sobrevoltajes.
La potencia eléctrica, P, que genera la celda de combustible se obtiene del producto del
voltaje de la celda por la corriente:
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(16)
La figura 6 también muestra la curva de potencia vs corriente de la celda. Se puede
predecir la forma de esta curva si se examina su comportamiento a bajas y altas
densidades de corriente. Así para bajas densidades de corriente, i  0 y a altas densidades
de corriente V  0, por lo que P se aproxima a cero en ambos extremos, mientras que a
valores intermedios toma un valor máximo, el cual tiene un valor de voltaje muy cercano a
la mitad del Vca que presenta el sistema.
En la práctica se requiere determinar la potencia y algunos otros términos como densidad
de potencia, que se define como potencia que se obtiene por unidad de volumen de la
celda o potencia especifica que es la relación de la potencia que se produce entre la
masa de la celda, estos conceptos son importantes y se van a utilizar en función de las
necesidades requeridas para poder ensamblar el número de celdas necesarias que
proporcionen los requerimientos solicitados.
3. COMPONENTES DEL SISTEMA Y DESCRIPCIÓN TÉCNICA
3.1. PANEL SOLAR
En este prototipo se utiliza 1 módulo fotovoltaico de 2.2 V y 100 mA. Como simulador solar
se utiliza una lámpara de 100W. Se colocaron a 20 cm de cada módulo solar y se
conectaron a un regulador de luz de 1000 W marca Steren para poder variar la intensidad
según se requiera, Figura 9.
Figura 9. Arreglo serie-paralelo módulos solares
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3.2. ELECTROLIZADOR
Las carcasas del electrolizador son de acrílico, con una cavidad con capacidad de 5 ml
de agua, para ánodo y cátodo. El corazón es el ensamble membrana electrodo, MEA (por
sus siglas en ingles, Membrane Electrodes Assembly) el cual consiste de cinco capas, estas
deben estar integradas de manera que la tinta catalítica, la membrana de intercambio
protónico y los difusores de gases formen una unidad, dependiendo de la buena
integración de los componentes será el desempeño tanto del electrolizador como de la
celda de combustible. Se requiere un procedimiento sistemático para conseguir una
buena preparación de los MEA´s, en este trabajo se siguió el procedimiento reportado en
la literatura [2,6] ya que se ha comprobado un alto desempeño en las pruebas realizadas.
Los colectores de gases son de acero inoxidable para evitar la oxidación ya que se
encuentran en ambiente húmedo, Figura 10. Se utilizó una membrana Nafion 115 con un
espesor de 125 m.
Figura 10. Electrolizador PEM, módulo de prueba
3.3. ALMACENAMIENTO DE GASES
Se utilizaron dos tanques para almacenar el hidrógeno y el oxígeno, los cuales fueron
fabricados de un tubo de acrílico de 4 cm de diámetro, con una capacidad de 50 ml, con
dos entradas laterales, una inferior para la entrada de los gases del electrolizador y otra
superior para la alimentación de los gases a la celda de combustible, Figura 11.
El tanque de hidrógeno esta graduado cada 2 cc para poder medir la producción de
hidrógeno.
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Figura 11. Tanque de almacenamiento de gases
3.4. CELDA DE COMBUSTIBLE
Para los platos colectores de la celda de combustible también se utilizo acrílico, los
campos de flujo fueron de serpentín alternado para una mejor distribución de los gases de
reacción y un mejor desalojo de agua.
Internamente se utilizaron dos ensambles membrana electrodos, preparados con la
membrana Nafión® previamente activada, como cátodo y ánodo se utilizaron electrodos
comerciales electrochem de tela de carbón de 4 cm 2, con una carga catalítica de
1 mg/cm2 de Pt-Etk al 10%, Figura 12.
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Figura 12. Sistema Celda de combustible en serie, módulo de prueba
3.5. CAJA DE RESISTENCIAS
La caja de resistencia fue diseñada con un circuito eléctrico de 1 polo 11 tiros,
considerando un rango de resistencias de 1 ohm hasta 200 ohms, incluyendo una caja
de música y un motor de baja potencia. Se integró la caja de resistencias utilizando una
fuente de potencia de 5 V.
Internamente la caja de resistencias consta de un amperímetro que está conectado en
serie con el polo y los 11 tiros, el amperímetro va conectado a la fuente de 5 V ya que
de esta es donde adquiere la energía necesaria para funcionar. La caja de resistencias
tiene dos conexiones de salida en paralelo, una para poder medir con un voltímetro la
diferencia de potencial que se tiene en el sistema y la otra para conectar la celda de
combustible a los módulos solares para su caracterización.
Una característica importante del sistema de un polo 11 tiros es que es posible
seleccionar en donde se quiere que trabaje la celda de combustible o bien los módulos
fotovoltaicos girando la perilla en cada una de las resistencias, Figura 13.
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Figura 13.Caja de resistencias, módulo de prueba
4. PRECAUCIONES
Este sistema requiere cuidados específicos, no se trabaja con una cantidad excesiva de
hidrógeno; sin embargo es importante tomar en cuenta una serie de precauciones para su
uso correcto y evitar el deterioro de los dispositivos que conforman este sistema.
Para la parte del sistema solar, se debe poner especial cuidado en la intensidad de las
lámparas debido a que si se sobrepasa la intensidad de luz que soporta el arreglo de
módulos pueden ser afectados y empezar a deteriorarse reflejándose en el desempeño.
La forma de controlar la intensidad es monitoreando el amperaje sin que pase de 300 mA.
En cuanto al hidrógeno, la energía mínima de ignición es muy baja (0.2 MJ) y el rango de
inflamabilidad es muy amplio. La flama se propaga muy rápidamente. Existe peligro
potencial de explosión por re-ignición si el fuego se extingue sin cerrar la fuente de
hidrógeno. El hidrógeno puede acumularse en las de áreas superiores de los lugares
cerrados. En este caso no se maneja una gran cantidad de hidrógeno por lo que peligro
de explosión o de inflamación no se tiene, sin embargo no hay que dejar de tomar en
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cuenta lo peligroso que puede llegar a ser el hidrógeno con un mal manejo, se debe
trabajar en un lugar plano ventilado sin que existan cosas inflamables en las cercanías y no
fumar cerca del dispositivo en operación
Es muy importante estar al pendiente del tiempo de vida de la membrana PEM del
electrolizador ya que en un determinado tiempo se empieza a degradar el catalizador y a
bajar el rendimiento de la electrólisis.
La celda de combustible depende mucho de la eficiencia del electrolizador y cuanto H 2 y
O2 se esté produciendo para un buen desempeño de ella.
5. PROCEDIMIENTO DE CARACTERIZACIÓN
5.1. CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR SERIE-PARALELO
El caracterizar un modulo fotovoltaico sirve para saber su desempeño óptimo y con esto
determinar la cantidad de módulos que se necesitan para un servicio especifico, arroja
ventajas como el ahorro ya que algunas veces se llega a comprar más sistemas de los que
se necesitan.
Para realizar la caracterización de un modulo fotovoltaico se necesita hacer la parte
experimental para la construcción de la curva la curva iluminada.
La curva iluminada nos sirve para saber cuál es la intensidad y voltaje óptimo
donde
trabaja mejor una celda fotovoltaica. Se obtiene la máxima potencia de trabajo. Es muy
importante saber cómo conectar el sistema ya que los módulos fotovoltaicos funcionan
como un iodo y si se conectan inversamente se aumenta el gap entre las regiones n-p y la
corriente no puede pasar.
Se debe construir una gráfica de I(mA) vs V(volts), se hace incidir luz sobre el módulo
fotovoltaico ajustando los valores teóricos de voltaje a circuito abierto y corriente a corto,
se van aplicando resistencias desde 1Ω hasta 100 Ω para ver la variación de voltaje e
intensidad de corriente empezando desde corto circuito ( intensidad=infinito, resistencia y
voltaje= 0) hasta Circuito abierto (Resistencia=infinito, I=0 y Vmáx). El sistema se conecta de
la siguiente manera, Figura 14:
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Figura 14.Conexión para caracterización módulo solar, sistema de prueba.
Para cada resistencia se registran los valores de intensidad de corriente y voltaje,
reportándolos en una tabla como la siguiente:
RESISTENCIA
Ω
3 Módulos conectados en
paralelo
V (VOLTS)
I (mA)
CCC
1
3
5
10
50
100
200
VCA
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Obteniendo resultados para completar la tabla como la siguiente:
RESISTENCIA
3 Módulos conectados en
paralelo
Ω
V (VOLTS)
I (mA)
CCC
0.78
290
1
0.97
289
3
1.5
281
5
2.0
265
10
2.63
220
50
3.91
71
100
4.07
42
200
4.17
19
VCA
4.26
0
Con los datos reportados en la tabla se realiza la gráfica corriente vs voltaje, característica
del sistema solar, Figura 15.
Figura 15. Gráficas corriente-voltaje del sistema solar, mostrando la potencia máxima.
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En este prototipo se tienen 3 módulos fotovoltaicos conectados en paralelo por lo que el
voltaje a circuito abierto que se observa es de 4.5 volts y la corriente a corto circuito es de
300 mA. Se parte de la CCC donde la resistencia es cero, se monitorea el sistema
aumentando gradualmente la resistencia aplicada observándose un codo en la curva,
conforme las resistencias son mayores el sistema se acerca al VCA hasta alcanzarlo. El
codo de la curva es la región de máximo desempeño y es en esta zona donde se deben
acoplar los sistemas que se quieran trabajar con este arreglo serie-paralelo de módulos
fotovoltaicos
5.2. CARACTERIZACIÓN DE UN ELECTROLIZADOR
El electrolizador PEM convierte energía eléctrica en energía química y puede ser entendida
como el proceso inverso de la celda de combustible. La conversión se realiza en dos
cámaras que están separadas por una membrana conductora de protones. Al aplicar una
tensión continua el agua se descompone en hidrógeno (H2) en el polo negativo y en
oxígeno (O2) en el polo positivo. Los gases son acumulados en recipientes colectores.
La caracterización de un electrolizador nos sirve para saber si son suficientes las celdas
fotovoltaicas que se instalan, si puede trabajar con menos celdas o es necesario
aumentárselas según el desempeño de dicho electrolizador. Para realizar el barrido el
sistema se conecta como se indica en el siguiente diagrama, Figura 16:
Figura 16. Conexión para caracterización del electrolizador, sistema de prueba.
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El electrolizador esta en serie con el amperímetro y en paralelo con el voltímetro. Se tiene
un estándar de la corriente que los módulos fotovoltaicos soportan por lo que de ahí
partimos para realizar el barrido subiendo poco a poco la intensidad de la luz y tomando
las lecturas que nos arroja el amperímetro y el voltímetro.
Con estos valores se debe completar una tabla como la siguiente:
I mA
V (volts)
I mA
V (volts)
I mA
10
110
210
20
120
220
30
130
230
40
140
240
50
150
250
60
160
260
70
170
270
80
180
280
90
190
290
100
200
300
V (volts)
Obteniéndose resultados como los siguientes:
I mA
V (volts)
I mA
V (volts)
10
1.45
120
1.73
20
1.52
140
1.76
30
1.56
160
1.78
40
1.58
180
1.83
50
1.61
200
1.88
60
1.63
250
1.93
70
1.66
300
1.95
80
1.67
90
1.69
100
1.70
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Con los datos reportados en la tabla se realiza la gráfica corriente vs voltaje, característica
del electrolizador, Figura 17.
Figura 17. Gráficas corriente-voltaje del electrolizador.
Se puede observar que la curva de desempeño del electrolizador, inicia el proceso de
electrólisis a un voltaje de 1.45 V. Después de iniciar el proceso de electrólisis se observa un
comportamiento exponencial de la corriente respecto al voltaje, lo que indica que la
reacción
está
controlada
por
la
transferencia
electrónica
y
depende
de
los
electrocatalizadores usados, este comportamiento es a bajas densidades de corriente y
potenciales cercanos al inicio del proceso de electrólisis, se observa hasta un voltaje de
1.65 V y 55 mA. A mayores voltajes
se observa un comportamiento lineal del voltaje
respecto a la corriente, lo que indica una resistencia óhmica generada por el electrolito y
los contactos eléctricos del sistema. En la zona de caída óhmica es donde se debe
trabajar un electrolizador dependiendo de la cantidad de gases que se requieran,
teniendo cuidado de no exceder de 5 V para no dañar el MEA del electrolizador.
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5.3. CARACTERIZACIÓN DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE
Una celda de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un
dispositivo electroquímico de conversión de energía , está diseñada para permitir el
reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad por
medio de hidrógeno y oxígeno.
El caracterizar una celda de combustible nos sirve para saber si es apta para el servicio
que vamos a alimentar con la energía producida. El sistema debe conectarse como se
muestra en el siguiente esquema, Figura 18:
Figura 18. Conexión para caracterizar una celda de combustible del sistema de prueba.
En esta caracterización es importante conectar la caja de resistencias y un voltímetro en
paralelo con la celda de combustible, se debe dejar producir el hidrogeno necesario para
que el voltímetro marque un voltaje a circuito abierto de 1.5V que es el mayor voltaje que
la celda puede dar. Una vez teniendo este voltaje se empezaran a variar las resistencias
(C.A, 200Ω,100 Ω,50 Ω,10 Ω,5 Ω,3 Ω,1 Ω y C.C) para ir tomando valores de voltaje e
intensidad de corriente. Es muy importante que cada vez que se haga una lectura, se
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regrese al puto de origen C.A para alcanzar de nuevo el máximo voltaje y poder hacer la
siguiente lectura. Conforme se leen los resultados se completa la siguiente tabla:
Ω
V(volts)
I(mA)
C.A
200
100
50
10
5
3
1
C.C
Se obtendrán resultados como los que siguen:
Ω
V(volts)
I(mA)
C.A
1.56
0
200
1.48
6
100
1.40
14
50
1.32
24
10
0.98
102
5
0.73
145
3
0.39
193
1
0.24
230
C.C
0.03
232
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Para posteriormente realizar una grafica de Voltaje vs intensidad de corriente vs potencia
obteniendo así una gráfica como la que observa en la Figura 19:
Figura 19. Gráficas corriente-voltaje-potencia de la celda de combustible.
Una vez recabados los datos se prende el motor y la caja de música con la energía
producida en la celda y se observa el voltaje y la corriente necesario para que estos
servicios se mantengan funcionando, estos datos deben estar terminando la parte
exponencial de la curva, donde empieza la zona lineal, para que la celda se trabaje en su
punto óptimo, lo anterior se observa en la gráfica, por lo que se puede concluir que la
celda de combustible está bien diseñada para el servicio requerido.
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6.- CUIDADOS EN LA INSTALACIÓN
Antes de iniciar las pruebas con el sistema solar-hidrógeno celda de combustible se debe
considerar lo siguiente:
Que el sistema de prueba este en una zona plana y firme.
Conectar las lámparas y la caja de resistencias.
La intensidad de la luz debe estar regulada para no causar daños a las celdas solares.
No se deben observar fugas de agua ó gases en ninguna parte del sistema.
Los electrodos deben estar conectados adecuadamente (ánodo y cátodo).
7.- POSIBLES FALLAS
FALLA
No prenden las lámparas
No pasa el agua de
recirculación
No da señal la caja de
resistencia
Fuga de agua en el
electrolizador
Fuga de agua en conexiones y
tanques







La celda no funciona
SOLUCIÓN
Asegurarse que estén conectadas.
Verificar que las conexiones de mangueras
no se encuentren ahorcadas.
Verificar que esté conectada a la corriente y
a su base.
Asegurarse de que los tornillos del
electrolizador estén bien apretados.
Verificar que las conexiones estén colocadas
adecuadamente.
Verificar que los tanques no se encuentren
fracturados o con fisuras.
Verificar que los electrodos estén bien
conectados y que los tornillo están apretados
y no hay fuga de gases.
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8. REFERENCIAS
1) González Huerta Rosa de Guadalupe. Síntesis y estudio electrocatalítico de compuestos
de rutenio para su aplicación en una celda de combustible con membrana de
intercambio protónico. Tesis de doctorado. México, IPN-ESIQIE, 2005.
2) Rodríguez Castellanos Andrés, Diseño, construcción y estudio del desempeño de un
electrolizador con membrana de intercambio protónico. Tesis de licenciatura. México,
IPN-ESIQIE, 2005.
3) Libros de Ciencia y tecnología No. 2, “Tecnología Solar-Eólica-Hidrógeno-Celdas de
Combustible como Fuentes de Energía”. Libro electrónico Primera Edición 2009 ISBN
978-607-95065-0-6, Editor Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec. Página web
http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales/e-bookCyT2.pdf
4) Hidrógeno: Introducción a la energía limpia, ISBN: 978-607-7798-02-6, Edición 2009, Editor
Universidad Autónoma de la Ciudad de México. Coordinadores y compiladores Rosa
de Guadalupe González Huerta, Ernesto López Chávez y Blanca Velázquez Morales,
2009.
5) Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice, ELSEVIER, 2005.
6) Andrés Rodríguez-Castellanos, Ernesto López-Torres, Omar Solorza-Feria, Solar-HydrogenFuel Cell Prototype as a Source of Renewable Energy Generation, J. Mex. Chem. Soc.,
51(2), 55-58, 2007.
7) Rosa de Guadalupe González Huerta, Miguel Angel Oliver Tolentino, Francisco Javier
Rodríguez Varela, Hidrógeno producción y almacenamiento: Retos hacia su uso como
vector energético sustentable, Editorial: CreateSpace (USA), ISBN: 978098099XXX, 1ra
edición 2013.
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