INTEGRACIÓN DE LA ENERGIA SOLAR CON CELDAS COMBUSTIBLERodríguez Valdelamar, J.L.(1); Orozco Gamboa, G.(2); Antaño López, R.(2); Sánchez Páez, J.L.(3);

(1) Ingeniería Electrónica(2) Electroquímica

Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C.

(3) Ingeniería ElectrónicaInstituto Tecnológico de Querétaro

RESUMENSe desarrollaron tres fases experimentales para comprender el funcionamiento de dispositivos que convierten energía química en energía eléctrica llamadas pilas o celdas de combustible. En la primera fase experimental se construyeron circuitos electrónicos para efectuar mediciones del desempeño de una celda de combustible tipo PEM. Las mediciones efectuadas para determinar el voltaje y la corriente de la celda se llaman curvas de polarización, y fue efectuada una de estas para una celda de combustible de área de campo de flujo de 5 cm2. Otro tipo de mediciones corresponden a la determinación de la impedancia de la celda, la cual se efectúa utilizando tres equipos electrónicos, que son a decir, un potenciostato, un analizador de respuesta de frecuencia y una carga electrónica. La celda combustible genera una corriente y voltaje superior a lo que los equipos electrónicos de laboratorio pueden aceptar, por lo que para este conjunto de mediciones fueron desarrollados un circuito divisor de corriente y un divisor de voltaje, los cuales permiten integrar los equipos electrónicos necesarios para la medición.En otra fase experimental se realizaron una serie de prácticas de un dispositivo educativo, que integra energía solar con celdas combustible. El equipo educativo se denomina en ingles FUEL CELL Car & Experiment Kit. La celda de combustible de este dispositivo puede ser utilizada como celda de electrólisis y como celda de combustible. Como celda de electrólisis se utiliza la corriente de las celdas fotovoltaicas para la generación de gases (H2 y O2), y se determino la eficiencia de este proceso. Posteriormente los gases generados son utilizados en la celda combustible, y se determinó la potencia eléctrica de la celda combustible. En una última fase experimental se diseño un inversor (convertidor de CD a CA) que nos permite obtener 120 V de corriente alterna a partir de una celda de combustible que proporciona 7 V de corriente directa. Se toma en cuenta que la celda de combustible suministra la corriente necesaria para dicho propósito.

INTRODUCCIÓNLas celdas de combustible son dispositivos que convierten energía química en energía eléctrica. A medida que los reactantes son suministrados a la celda esta produce electricidad. En las celdas, el combustible es oxidado continuamente en uno de los electrodos –el ánodo- mientras se reduce oxígeno en el otro electrodo –el cátodo-. Desde este punto de vista, la reacción que tiene lugar en la celda es similar a una reacción de combustión, pero sigue mediante reacciones electroquímicas que generan corriente eléctrica. A partir de 1973, y debido principalmente a la crisis del petróleo, surge un enorme interés en las aplicaciones terrestres de estos sistemas basado en la posibilidad de aumentar considerablemente la eficiencia de la conversión de energía eléctrica. Las celdas de combustible pueden ser instaladas sin perjuicios ambientales en zonas con alta densidad de población. El objetivo de este tipo de generación de energía es que a través de paneles fotovoltaicos proporcionemos el potencial necesario para que se efectúe la electrólisis del agua, los gases generados sean almacenados, y de esta manera la energía se almacena cuando existe luz solar, para que posteriormente por medio de una celda de combustible se hagan reaccionar para la producción de electricidad en horas nocturnas. Las celdas combustible y las celdas fotovoltaicas pueden ayudar a solucionar el problema de generación de energía cuando el petróleo se agote, que en México se espera sea en 15 años. Este proceso descrito anteriormente se realizará con el FUEL CELL Car & Experiment Kit el cual cuenta con el panel solar,

celda de combustible, y los elementos necesarios para dicho proceso, haciendo notar que este proceso es a pequeña escala, y con un objetivo educativo.

PRIMERA FASE EXPERIMENTAL (MEDICIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE) Se realizó la descarga de una celda de combustible Electro-Chem, mostrada en la figura 1. Las condiciones de operación fueron de 15lbs/cm2 a 30˚C con una entrada constante de hidrógeno y oxígeno, teniendo como carga eléctrica el equipo ECL150 donde la corriente fue el parámetro que se modificó para ver el efecto en el potencial de la celda. En el gráfico se observa la respuesta de voltaje de la celda a demandar una corriente, y se observa la potencia obtenida, la cual tiene la forma de una parábola.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1

CORRIENTE (A)

VOLTAJE (V) POTENCIA (W)

FIGURA 1 CURVA DE POLARIZACIÓN, COMPORTAMIENTO DE VOLTAJE Y POTENCIA AL AUMENTAR LA DEMANDA DE CORRIENTE

Los circuitos desarrollados para integración de la medición de impedancia de la celda son mostrados en la figura 2, y además se muestra el montaje experimental que permite determinar la impedancia de la celda de combustible.

FIGURA 2 CIRCUITO Y MONTAJE PARA EL DESARROLLO DE LA DESCARGA DE LA CELDA

SEGUNDA FASE EXPERIMENTAL (FUEL CELL, CAR & EXPERIMENT KIT)El kit educativo es el proceso de integración de energía solar y celdas de combustible, que permite a un auto de juguete funcionar. Consta de celda fotovoltaica, una celda dual de electrólisis y de combustible, 2 tanques de 12 y 24 ml para el almacenamiento de O2 y H2 respectivamente, un recipiente para el almacenamiento de agua destilada y motor de CD para pruebas. La celda y las mangueras que la conectan con los tanques se llenan completamente de agua eliminando burbujas de aire y por medio de la celda fotovoltaica al ser alumbrada por los rayos del sol se aplica el potencial a los electrodos de la

celda y se produce la electrólisis del agua (se utiliza agua destilada para este propósito y la celda funciona como celda electrolítica), los gases obtenidos O2 y H2 son almacenados en los tanques, la velocidad de generación de gases fue de 0.0266ml/s de H2 y de 0.0133ml/s de O2, para hacer esta separación se suministro un voltaje de 1.56V proveniente de la celda fotovoltaica con una corriente de 0.19A. Los gases acumulados permiten funcionar a la celda como fuente de energía eléctrica si es retirada la celda fotovoltaica. El diagrama eléctrico así como el dibujo del pequeño carro experimental se muestra en la figura 3.

FIGURA 3 DIBUJO Y CIRCUITO ELÉCTRICO DEL KIT EXPERIMENTAL, CELDA SOLAR, CELDA DE COMBUSTIBLE Y LA CARGA.

La celda de combustible proporciona un voltaje de 0.753V y una corriente de 0.13A, suficientes para que el motor CD permita que el auto eléctrico camine. Con el potencial de salida de la celda combustible obtenemos la eficiencia (η) de esta, la cual se define como la razón del voltaje proporcionado por la celda a plena carga entre el voltaje necesario para producir la electrólisis del agua, y el dato encontrado experimentalmente corresponde una eficiencia del 48%.

FIGURA 4 FOTOGRAFÍA DEL CAR & EXPERIMENT KIT

TERCERA ETAPA EXPERIMENTAL (ETAPA DE POTENCIA, INVERSOR)Se diseño un inversor para celda combustible (7V) , ya que los comerciales están diseñados para baterías plomo ácido (12V). El convertidor diseñado permite generar a partir de 7volts de una celda electroquímica una tensión de 120 V de corriente alterna, y soporta cargas de 150 W, aunque es posible llegar a los 300W reduciéndose ligeramente la tensión a la salida. El tipo de onda suministrada por la salida del circuito es cuadrada. Normalmente los convertidores de este tipo producen gran cantidad de armónicos y ondas distorsionadas. En este caso se produce una señal libre de distorsiones y picos indeseables ya que los transistores de salida tienen una respuesta extremadamente rápida (15ns). El circuito puede dividirse en tres partes: oscilador, previo y etapa final. Primero contamos con el oscilador patrón, que suministra una frecuencia de 55Hz, por división de un resonador cerámico de 455KHz. El circuito encargado de generar esta señal es del tipo 4060 el cual contiene internamente un oscilador y varias etapas divisoras conectadas en serie. En las patitas 10 y 11 se conecta el elemento resonante, que puede ser, tanto un cristal de cuarzo, un resonador o un circuito L-C. El ajuste C1 permite obtener una frecuencia más exacta, así como mejorar la amplitud y forma generada por el resonador, ya que es posible compensar las capacidades internas del chip. En la terminal 2 del IC1, obtenemos una señal cuadrada de 55Hz con una amplitud de 7V. Esta salida ataca al siguiente circuito integrado, el 4069 que dispone de 6 inversores internos. La configuración puede apreciarse en el esquema eléctrico, en este esquema los 7V provienen de la celda de combustible. En primer lugar, tres

inversores que han sido colocados en paralelo, envían señal a los otros tres inversores restantes. También colocados en forma paralela. De la conexión de estos últimos se toma una de las salidas para la etapa de salida. La otra salida se toma de los primeros 3 inversores en paralelo. La etapa de salida esta formada por cuatro transistores del tipo MOS POWER de canal N (IRF530). Se ha seleccionado este tipo de componente, ya que cuenta con una serie de excelentes características: corriente del drenador 14amp, resistencia interna del dren-fuente 0.1-0.3ohms, Respuesta de 15nSeg. Por ultimo colocamos un transformador que comúnmente se usa de 120V a 6V con tierra, de manera contraria, la entrada será la de 6v y la salida será la de 120V. El inversor fue evaluado con celdas fotovoltaicas iluminadas con un foco de luz incandescente de 100W –para realizar las pruebas-, y posteriormente se evaluó con una batería de acido-plomo de 6 V- 12Ah, observando para los dos casos un correcto funcionamiento, ya que el inversor proporciono un voltaje de 110V corriente alterna suficientes para alimentar una lámpara común. Se espera posteriores investigaciones para evaluar el inversor con una celda de combustible En la figura 4 se muestra la fotografía.

FIGURA 4 CIRCUITO ELÉCTRICO DEL CONVERTIDOR Y FOTOGRAFÍA EN PLENO FUNCIONAMIENTO.

CONCLUSIONESLa estancia permitió conocer la tecnología de celdas combustible, así como su integración con celdas fotovoltaicas para acumular energía en el combustible hidrógeno. La curva de polarización permitió entender que una de las características de las celdas de combustible, es proporcionar mucha corriente pero a bajos voltajes. Las mediciones de impedancia no fueron realizadas, pero fueron aplicados conocimientos de electrónica en el desarrollo de circuitos que permiten desarrollar las mediciones, ya que se integran diferentes equipos.El kit educativo permitió comprender las bases de método de producción de energía con base en energías renovables. La eficiencia del proceso en el kit experimental es de 48%, este valor esta en el rango de las celdas de combustible que es entre el 40 y el 64%, comparado esto con otro tipo de producción de energía, como por ejemplo un automotor en donde para la producción de 100KW la eficiencia es de hasta 23%, la diferencia es evidente, por lo tanto las celdas de combustible son más eficientes. El inversor de corriente construido funciona satisfactoriamente y será probado en el futuro con una celda combustible.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICASAlonso-Vante, N., “Electroquímica y electrocatálisis Vol 1b”, Nicolás Alonso-Vante (ed.), 2002.

L.Boylestad, R, “Análisis introductoria de circuitos”, Trillas, 1978.

Ellen Bouden, M, “Chemistry Is Electric”, Sttege/Thomson Communications, 1997.