Construccion De Una Celda De Combustible

Scientia et Technica Año XV, No 42 Agosto de 2009. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE TIPO MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTÓNICO.
Design and construction of a proton exchange membrane fuel cell.

RESUMEN Una celda de combustible tipo membrana de intercambio protónico (CCMIP) es un dispositivo que produce electricidad, calory agua usando hidrógeno y aire. En este trabajo se ha diseñado y construido una CCMIP con un área activa de 25 cm2. Las partes de la celda fueron diseñadas usando SolidWorks 2005. Adicionalmente se muestra el diseño y construcción del sistema de alimentación y humidificación de aire e hidrógeno. Por último se describe el sistema de control de temperatura implementado. PALABRAS CLAVES: Celdas decombustible, hidrógeno, membrana de intercambio protónico. ABSTRACT A Proton Exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a device that produces electricity, heat, and water using hydrogen and air. In this work, we have designed and built a twenty five cm2 active area single PEMFC. The fuel cell components were designed using SolidWorks 2005. Additionally, it is shown the designed and built feed andhumidification system for the hydrogen and air. Lastly it is described the implemented temperature control system. KEYWORDS: Fuel cells, hydrogen, proton exchange membrane. 1. INTRODUCCIÓN Una celda de combustible puede definirse como un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de la reacción entre el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2) en electricidad y calor. El subproducto de dichareacción es agua (H2O) [1]. Existen diferentes tipos de celdas de combustible las cuales se clasifican de acuerdo al combustible y al electrolito utilizado [2]. Las celdas de combustible tipo membrana de intercambio protónico (CCMIP), usan hidrógeno como combustible y una membrana polimérica como electrolito [3]. El hidrógeno fluye por el ánodo y es disociado en la capa catalizadora formandoprotones y electrones. Ver figura 1. Los protones pasan a través de la membrana la cual es diseñada para permitir el paso de cationes pero es impermeable al paso de corriente eléctrica, gases y aniones. Así los electrones son obligados a pasar por el circuito externo generando energía eléctrica. Luego electrones y protones reaccionan en el cátodo con el oxígeno presente en el aire y con la ayuda de lacapa catalizadora del cátodo forman agua. Las reacciones químicas que tienen lugar en una CCMIP se muestran a continuación:

JUAN E. TIBAQUIRÁ G. Ingeniero Mecánico. M.Sc. Profesor Asociado Universidad Tecnológica de Pereira juantiba@utp.edu.co

JONATHAN D. POSNER Ingeniero Mecánico, Ph.D. Profesor Asistente Arizona State University Jonathan.Posner@asu.edu

+ + Reacción anódica : H 2 → 2H +2e Reacción catódica : 1 − + O 2 + 2e + 2H → H 2 O 2 1 O → H 2O 2 2

(1)

(2)

Reacción global : H 2 +

(3)

Figura 1. Vista lateral de una celda de combustible tipo membrana de intercambio protónico [4].
Fecha de Recepción: 8 de junio de 2009 Fecha de Aceptación: 13 de Agosto de 2009

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Scientia et Technica Año XV, No 42 Agosto de 2009. Universidad Tecnológica de Pereira.Actualmente en el Laboratorio de Microfluidos del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Arizona en Estados Unidos se están desarrollando proyectos de investigación que involucran el estudio de la cantidad y calidad del agua producida por una CCMIP. De allí nació la necesidad de diseñar y construir un banco experimental de una CCMIP. Alrededor del mundo diferentes grupos deinvestigación que tienen instalaciones experimentales similares a la propuesta en este trabajo, todos ellos investigando diversos temas relacionados al funcionamiento y optimización de una CCMIP [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. La celda diseñada y construida tiene la configuración mostrada en la figura 2.

resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y maquinabilidad. Ver figure 3.

2.2 Placas...