INTEGRACIÓN DE LA ENERGIA SOLAR CON CELDAS COMBUSTIBLE Rodríguez

integración de la energia solar con celdas combustible rodríguez valdelamar, j.l.(1); orozco gamboa, g.(2); antaño lópez, r.(2); sánchez páe

INTEGRACIÓN DE LA ENERGIA SOLAR CON CELDAS COMBUSTIBLE
Rodríguez 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 Electrónica
Instituto Tecnológico de Querétaro
RESUMEN
Se 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.
INTRODUCCIÓN
Las 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.

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

os 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.
F

IGURA 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 c

elda de combustible En la figura 4 se muestra la fotografía.
FIGURA 4 CIRCUITO ELÉCTRICO DEL CONVERTIDOR Y FOTOGRAFÍA EN PLENO
FUNCIONAMIENTO.
CONCLUSIONES
La 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 BIBLIOGRÁFICAS
Alonso-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.