Download BATERÍA DE PILAS PEM A COMBUSTIBLE HIDRÓGENO DE 40 W

Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
03-213
BATERÍA DE PILAS PEM A COMBUSTIBLE HIDRÓGENO DE 40 W PARA USOS
PORTÁTILES
Fasoli, H.J.(1) , Franco, J.I.(1) , Sanguinetti, A.R.(1) ,Lavorante, M.J.( 2) , Aiello, R.M.(1)
(1)
Departamento de Investigación y Desarrollo de Energías Renovables (CITEDEF-EST), San Juan B.
de La Salle 4397, B1603ALO, Villa Martelli, Provincia de Buenos Aires, Argentina,
[email protected], [email protected].
(2)
Facultad de Ciencias Fisicomát. e Ingeniería, Alicia M. de Justo 1500, C1107AAZ, Buenos Aires,
Argentina, [email protected]
RESUMEN
En varios trabajos anteriores mostramos el comportamiento de una batería de tipo PEM a hidrógeno
(denominada EA-5) en funcionamiento en la Base Esperanza entre enero de 2007 y mayo de 2008 y
entre octubre de de 2009 hasta el presente.
Sobre la base del diseño y construcción de la batería EA-5 desarrollamos una batería de 18 elementos
que entrega una potencia máxima de 39,6 W a 5,5 A, la que caracterizamos en este trabajo (ver curva
de descarga y de potencia en las Figuras 1 y 2, respectivamente). Como en la batería EA-5, la
resistencia total de la batería es igual a la resistencia de una pila elemental multiplicada por el número
de elementos.
El dispositivo resultó útil para poner en funcionamiento cargadores de baterías de teléfonos celulares y
cámaras fotográficas, alimentar una lámpara de bajo consumo y un ordenador portátil con pantalla de
10 pulgadas (netbook). Con este propósito esta batería será instalada en la Base Esperanza de la
Antártida Argentina, de manera de comunicar a través de internet un refugio alejado de la
comandancia.
Palabras Claves: pila a combustible PEM a hidrógeno, batería de pilas PEM a hidrógeno.
1. INTRODUCCIÓN
Las baterías a combustible (en inglés
“fuel cell stacks") consideradas como más
adecuadas para funcionar a temperatura ambiente
están basadas en electrolito polimérico Nafion® a
cuyas propiedades – electrolito sólido, conductor
protónico, super ácido e intercambiador iónico
[1] – debe agregarse la ventaja propia de las pilas
a hidrógeno de provocar mínima o prácticamente
nula contaminación ambiental durante su
funcionamiento. [2]
La producción óptima de energía de estas
baterías depende del control de una serie de
variables tales como temperatura, flujo de los
gases reaccionantes, estequiometria, presión y
humedad [3-7], los cuales influyen también sobre
el envejecimiento del electrolito [8]. La
optimización se logra usualmente agregando al
dispositivo electroquímico un conjunto de
equipos cuyo gasto energético debe restarse de la
energía producida. La utilización del sistema por
el público no especializado debe ser simple si se
pretende que esta tecnología sea utilizada en la
vida cotidiana. En ese sentido, el trabajo de
Rodatz et al. [9] puede considerarse uno de los
más representativos ya que estudia bajo
condiciones prácticas los aspectos operativos de
baterías de electrolito polimérico (PEM).
Con ese criterio venimos trabajando
desde 2006 en el desarrollo de baterías de
potencia
creciente
[10].
Recientemente
presentamos el desarrollo con tecnología propia
de una batería de 6 elementos (ca. 10 W)
denominada
EA-5
utilizando
electrolito
polimérico y el funcionamiento de un sistema
experimental completo que fue probado en la
Base Esperanza del Ejército Argentino en la
Antártida [11].
En 2011 discutimos las mejoras introducidas
a la batería de ese sistema, lo que permitió
aumentar 30 % la potencia máxima entregada
[12].
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Los conjuntos membrana-electrodo
(EMA) se obtuvieron como se describió con
anterioridad [13-14], aunque la concentración del
catalizador empleado se redujo a la mitad [11],
empleándose 0,5 mg de platino por cm2, como
explicamos en un trabajo anterior [12]. La
superficie activa es 16 cm2
La resiliencia del contacto entre los
electrodos y la membrana se mejoró con el
agregado de plastificante (tetrafluorsulfonato de
tetrabutilamonio).
Como en casos anteriores, las placas
bipolares fueron construidas de titanio y
mecanizadas por nosotros. De acuerdo con Wang
et al. [15], la oxidación superficial de las placas
metálicas de titanio produce el aumento de la
resistencia interna de la batería a causa del
incremento en la resistencia superficial de
contacto entre el grafito de la capa promotora de
turbulencia y el titanio. Dado que el espesor de
esta capa aumenta con el tiempo, la resistencia
interna de la batería también aumenta con el
tiempo. La resistencia de contacto es función de
la naturaleza de las fases, de la presión del
contacto, de la superficie, de la temperatura, etc.
Para prevenir que el oxígeno entre en contacto
con el titanio, Wang et al. [15] modificaron la
superficie del metal mediante el empleo de
dióxido de iridio y platino; en cambio Rao y
Pushpavanam [16] depositaron platino por
reducción química (“electroless“) con idéntico
objetivo. En nuestro caso la superficie de las
placas bipolares se modificó mediante el empleo
de oro.
Los 18 elementos que conforman la
batería fueron ensamblados como describimos en
un trabajo anterior. [10]
Las curvas de descarga se obtuvieron con
un sistema de carga electrónica Agilent 3301 A.
16,0
14,0
12,0
Potencial / V
2. PARTE EXPERIMENTAL
baterías anteriores como la EA-5 instalada en la
Base Esperanza [11] puede observarse aquí
también que la resistencia interna del conjunto
dividido el número de elementos es igual (dentro
del error de las mediciones experimentales) a la
resistencia de una pila única.
Se calculó la resistencia de polarización,
la cual se obtuvo de la derivación numérica de la
curva experimental de polarización, tal como
explicamos en [11]. El valor de 75 mV/década
para el elemento simple es comparable con el de
82 mV/década obtenido para la batería a
densidades de corriente bajas y medias.
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
.
Figura 1. Curva de descarga de la batería CITEST-B18.40.
45,0
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Corriente / A
Figura 2. Curva de potencia “vs” corriente de la batería
CITEST-B18.40.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las Figuras 1 y 2 muestran la curva de descarga
(E “vs” I) y la curva de potencia en función de
corriente (P “vs” I) para la batería de 18
elementos denominada CITEST-B18.40. De esta
última se obtiene que la batería entrega una
potencia máxima de 39,6 W a 5,5 A. Como con
6,0
Corriente / A
Potencia / W
En este trabajo presentamos el desarrollo
de una batería de 18 elementos y 40 W, como
parte de nuestro proyecto para alcanzar potencias
capaces de satisfacer sistemas autónomos en
localizaciones de interés estratégico.
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Figura 3. Funcionamiento de una lámpara de bajo
consumo mediante el empleo de un conversor
(adelante, al centro). La batería se encuentra a la
izquierda, detrás de los frascos lavadores.
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Conectada a un conversor a 220V (CA)
esta batería fue utilizada para alimentar una
lámpara de bajo consumo (Figura 3) y
cargadores de baterías de teléfonos celulares y
cámaras fotográficas (Figura 4). También se la
empleó para poner en funcionamiento un
ordenador portátil con pantalla de 10 pulgadas
(Figura 5).
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doméstico conectado a un conversor de 220 V de
corriente alterna.
5. AGRADECIMIENTOS
Agradecemos la colaboración del Taller de
Prototipos y del Laboratorio de Microelectrónica
del CITEDEF, donde se efectúa el mecanizado y
la protección de las placas metálicas,
respectivamente.
Uno de los autores (MJL) agradece a la
Fundación YPF por la beca José Estenssoro para
realizar sus estudios de doctorado.
6. REFERENCIAS
[1]
Figura 4. Conversor conectado a la batería CITESTB18.40 alimentando un cargador de batería de
cámara fotográfica.
Figura 5. Netbook alimentada con un conversor
conectado a la batería CITEST-B18.40.
4. CONCLUSIONES
Mediante la metodología que hemos
iniciado a partir de 2005 y especialmente luego
de la experiencia de que nuestras baterías de 6
elementos estén funcionando en la Antártida
Argentina desde 2007, hemos desarrollado una
batería de 18 elementos que provee una potencia
máxima de 39,6 W a 5,5 A.
La batería continúa mostrando las
ventajas ya descriptas en trabajos anteriores, en
cuanto a que no hay incremento significativo en
el valor de la resistencia interna por elemento
agregado al “stack”.
El dispositivo mostró ser apto para
poner en funcionamiento dispositivos de uso
Mauritz K., Chem. Rev. 104, 2004, pp.
4535-4585.
[2] Kordesh K. y Simader G., Fuel Cells and
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K., St-Pierre J. y Wilkinson D., Journal of
Power Sources 127, 2004, pp. 127-134.
[11] Franco J. I., Sanguinetti A. R., Colángelo G.
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[12] Franco J., Fasoli H., Sanguinetti A.,
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Cuarto Congreso Nacional – Tercer Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2011
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[15] Wang S. H., Peng J. y Lui W. B., Power
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[16] Rao C. R. y Pushpavanam M., Materials
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