Estructura y funcionamiento de las celdas de combustible 1 Estructura básica

La estructura básica de este tipo de dispositivos consiste en una capa electrolítica en contacto con un ánodo y un cátodo en lados opuestos. La Fig. 1.4

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muestra el esquema típico de una celda de combustible con reactivos y productos en estado gaseoso, indicándose también la dirección del flujo de iones a través de la celda.

Figura 1.4 Esquema básico de una celda de combustible [6].

En una celda de combustible, el combustible es alimentado continuamente en el electrodo negativo (ánodo) y el oxidante, con frecuencia aire u oxígeno, es alimentado continuamente en el electrodo positivo (cátodo). Las reacciones electroquímicas tienen lugar en los electrodos para producir una corriente eléctrica. Las celdas de combustibles presentan características comunes a las pilas y baterías, aunque difieren en algunos aspectos. La pila es un dispositivo de almacenamiento de energía en el cual toda la energía disponible es almacenada dentro de la misma. La pila cesa la producción de energía eléctrica cuando los reactivos químicos son consumidos en su totalidad. En cambio, una celda de combustible, en teoría, produce electricidad hasta que se interrumpe el suministro de los reactivos.

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En general las celdas de combustible se clasifican de acuerdo al tipo de electrolito y combustible utilizado, lo que determina las reacciones que se producen en los electrodos y el tipo de ión que transporta la corriente a través del electrolito.

1.3.2 Componentes esenciales de una celda de combustible

Los electrodos empleados en las celdas de combustible se denominan electrodos de difusión de gas si el reactivo es un gas, o electrodo de dos fases o inundado si el reactivo es un líquido. Como muestra la Figura 1.4, estos electrodos son ubicados en la celda separando el electrolito de los reactantes gaseosos. Así, la estructura electródica debe permitir la estabilización del electrolito en su interior sin perjudicar el acceso de los gases reactantes a los sitios activos. Por esta razón 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. Básicamente, las dos capas deben presentar las siguientes características:

¾ 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. En la mayoría de los casos la capa difusora también actúa como soporte mecánico del electrodo.

¾ Capa catalizadora. Cumple la función de promover eficientemente la reacción electroquímica.

Históricamente, se pueden identificar dos períodos en el desarrollo de los electrodos de difusión de gas. Hasta la década del ´60, sólo se utilizaban estructuras metálicas porosas; el electrolito se estabilizaba construyendo la capa difusora con poros menores que los de la capa catalizadora. El electrocatalizador era el mismo material estructural de la capa catalizadora o materiales sedimentados sobre el

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esqueleto poroso metálico. Los materiales electródicos frecuentemente mencionados eran níquel, níquel Raney, litio, etc. y sólo se utilizaban electrolitos alcalinos.

A partir de la década del ´60, con el descubrimiento del Teflon® (E. I. DuPont) y de sus propiedades hidrofóbicas, comenzó a desarrollarse una nueva clase de estructuras electródicas basadas en electrocatalizadores compuestos por partículas de metales nobles como platino, oro, paladio, aleaciones de platino, etc. soportados sobre carbón. En estos electrodos, el Teflon® cumple la función de proporcionar estabilidad mecánica. Asimismo, la excelente estabilidad química y térmica del material permitió el avance tecnológico de las celdas de combustible con electrolitos acuosos ácidos y de membranas intercambiadoras de protones que pueden operar a temperaturas de hasta 150 ºC.

Una revisión de la literatura muestra que se han realizado numerosos trabajos experimentales para celdas con electrolitos acuosos en medio ácido. Estos trabajos tenían como principal objetivo correlacionar los aspectos estructurales del electrodo y su actividad electroquímica global. A finales de la década del ´70 se dio importancia al estudio del mecanismo de reacción de reducción de oxígeno y a la verificación de las ventajas y desventajas de la utilización del catalizador con 10% w/w de Pt/C en comparación con el metal puro. Desde entonces, se ha publicado una gran cantidad de trabajos relacionados con el estudio de los parámetros estructurales de la capa catalítica que afectan la eficiencia de los electrodos teniendo en cuenta las propiedades hidrofóbicas del soporte, la cantidad de Pt presente en la capa catalítica y el tamaño de las partículas del catalizador. Otras actividades de investigación en el área estuvieron orientadas a la disminución de la carga del catalizador en los electrodos y al aumento de la vida útil de la celda.

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También se han investigado catalizadores formados por aleaciones de platino con otros metales como Ag, Co, Ti, etc.

El desempeño de un electrodo está gobernado por factores intrínsecos relacionados con el catalizador utilizado y por factores fenomenológicos relativos a la estructura de la capa catalítica. En la Fig. 1.5 se presenta un esquema de la zona de reacción ubicada en la estructura porosa. Las partículas del catalizador, el electrolito y el reactante gaseoso interaccionan en una región de geometría compleja, denominada “triple fase de reacción”, cuyas propiedades pueden dar lugar a la aparición de fenómenos difusionales u óhmicos internos que pueden limitar la eficiencia del electrodo, especialmente en la región de altas densidades de corriente.

Fig. 1.5 Esquema de la estructura de un electrodo de difusión de gas. La triple fase de reacción formada por el catalizador sólido, el electrolito y el gas se muestra ampliada.

Se han propuesto varios modelos para describir el modo de operación de los electrodos de difusión de gas con el fin de cuantificar los efectos de los parámetros estructurales y operacionales que determinan el desempeño del electrodo. Tales modelos presentan diferentes características que parten primeramente de las varias

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estructuras supuestas, del tipo de control que está operando sobre el electrodo (activación, óhmico o transporte de masa) y de los regímenes de operación (corriente continua, alterna, etc.).

Se ha ensayado una gran variedad de geometrías posibles para las celdas de combustible. No obstante, la mayoría de las celdas de combustible actuales presentan una estructura plana (rectangular o circular) o tubular, Figs. 1.6(a) y (b).

Las celdas de combustible comerciales están constituidas por módulos de celdas individuales conectadas en serie por medio de interconectores eléctricos. El número de celdas individuales existentes por módulo dependerá de la potencia exigida por el artefacto al que se desee alimentar con las FCs.

Figura 1.6 Esquema de un conjunto de celdas de combustible. Estructura plana (a) y tubular (b).