ENERGIAS RENOVABLES

1. DETERMINACION DE LA EFICIENCIA DE UNA CELDA DE
COMBUSTIBLE SE-8573 A 3810 m.s.n.m.
Julio Warthon Ascarza- juliowarthon@hotmail.com
Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Departamento de Física
Jesús Rubio Cáceres
Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco
RESUMEN. La eficiencia de una celda de combustible es la cantidad que determina la capacidad de
conversión de la energía; en el caso específico del KIT SE-8573-celda de combustible- se ha
determinado la eficiencia energética por medio de experimentos que se ha llevado a cabo en la ciudad
de Puno a un a altura de 3810 m.s.n.m.. El factor altura implica varios aspectos como es la presión y
densidad atmosférica, la temperatura y la radiación solar, asimismo están otros factores
fisicoquímicos como es la pureza del agua destilada, su conductividad eléctrica, la constante
universal de los gases ideales y su valoración en condiciones que no son normales, y de la pureza de
oxigeno empleado en el proceso. Estas magnitudes y variables influyen en la determinación de la
eficiencia de la celda de combustible SE-8573 [1]. Asimismo se hizo un estudio por microscopia
electrónica de barrido de la nanoestructuración de los componentes de la celda que es otro factor que
determina la eficiencia energética de la celda. Finalmente se ha podido concluir que la eficiencia de
la celda de combustible SE-8573 a 3810 m.s.n.m. esta dentro de los límites descritos en la bibliografía
y de los manuales proporcionados por el fabricante [2].
Palabras claves: Celda de combustible, eficiencia energética, condiciones normales.
INTRODUCCION
En el proceso de electrolisis del agua, la electricidad interviene para disociar el agua en hidrógeno y
oxigeno, en cambio, en una Celda de Combustible la reacción contraria (reversible) ocurre: la reacción
Hidrogeno-Oxigeno es producida para formar agua y electricidad.
En el presente trabajo se ha empleado el kit SE-8573 que consiste en un Panel solar, tanque de
almacenamiento de materia prima (agua), hidrolizador PEM (sigla inglesa para Membrana
de Intercambio Protónico), tanque de almacenamiento seguro de Hidrógeno (c/sello de
agua), celda de combustible PEM, motor eléctrico, este dispositivo se emplea para usos
educativos sin embargo nos ha servido para realizar una investigación de la eficiencia energética en
condiciones diferentes a las desarrolladas por los fabricantes, es decir, los experimentos desarrollados
se han realizado en la ciudad de Puno a 3810 m.s.n.m. donde la presión atmosférica es el 65% de la
presión atmosférica a nivel del mar, paralelamente han intervenido otras variables como es el consumo
de aire en vez de oxigeno que han sido determinantes en la eficiencia de la celda de combustible de
intercambio protónico. Los resultados experimentales obtenidos respecto a la eficiencia planteada por
el fabricante son aceptables debido al error relativo determinado
CELDA DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA ELECTROLITICA POLIMERICA (PEMFC)
[1]
Las Celdas de Combustible PEM convierten la energía química en energía eléctrica eficientemente,
con bajo ruido y libre de emisiones. El electrolito es una delgada membrana protón-conductor
polimérica. La membrana es cubierta con material catalítico sobre ambos lados. Estos dos son apoyos
del cátodo y el ánodo de la Celda de Combustible. Las celdas individuales son conectadas juntas para
formar un pabellón compacto en orden a coincidir con el poder de requerimiento. Así, la alta
eficiencia, y el buen comportamiento de encendido refrigerante de la Celda de Combustible PEMFC lo

2. hace adecuado (apropiado) para un amplio rango de aplicaciones, por ejemplo para accionamientos
eléctricos en los automóviles, como un reemplazo de baterías y acumuladores y para suministro de
energía doméstica.
-
Fig. 1 Celda de combustible SE- 8573
Su funcionamiento comienza cuando se suministra hidrogeno al ánodo y oxigeno al cátodo. Ambos
gases penetran por los canales de las placas bipolares de sus respectivos electrodos, y se distribuyen a
lo largo de toda su superficie a través de las capas de difusión de gas. En una Celda de Combustible
PEMFC dos electrodos (típicamente Platino), son separados por una membrana polimérica conductora
de protones, el electrolito. El gas Hidrógeno es suministrado a un electrodo y gas Oxígeno al otro. El
ánodo es un catalítico para la disociación del Hidrógeno en protones (H+ iones) y electrones (+ y -).
Ambos, protones y electrones ahora viajan al lado del cátodo (a la derecha) pero-muy importante-en
diferentes caminos. Mientras los H+-iones pasan a través de la membrana conductora de protones, de
la celda, los electrones se mueven a través del circuito externo (cerrado) y por consiguiente proveer la
energía eléctrica a la Celdas de Combustible. Al cátodo los protones y electrones finalmente
reaccionan con el Oxígeno para formar solamente agua como subproducto de las Celdas de
Combustible [1]
• Reacción del ánodo: 2H2 → 4H+ + 4e-
• Reacción del cátodo: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
• Reacción total: 2H2 + O2 → 2H2O
Una celda de combustible es un dispositivo relativamente simple. Consta de dos electrodos: el ánodo
(electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). Todas las reacciones químicas tienen lugar en los
electrodos y, para acelerar la reacción química, se recubren ambos electrodos con un catalizador. Esta
celda de combustible también contiene un electrolito que transporta las partículas cargadas de un
electrodo al otro. Pero la celda de combustible necesita dos cosas más para que se produzca la
reacción: oxígeno y, por supuesto, combustible. La mayoría de las celdas de combustible que están en
desarrollo utilizan hidrógeno como combustible.

3. FICHA TECNICA DEL KIT SE-8573
En este experimento se ha utilizado el KIT SE-8573, P06 PASCO SCIENTIFIC. La ficha técnica de
estos componentes se describe en la siguiente tabla:
Tabla 1 Ficha técnica del kit PEMFC F107, componente de la celda de combustible SE-8573
Eco H2/ Aire
Item Nº 1935
Altura 140 mm
Ancho 150 mm
Profundidad 470 mm
Peso 1000 g
CELDA SOLAR
Área 90 cm2
Tensión en vacío 2.0 VDC
Corriente 350 mA DC
Potencia (MPP) 500 mW
ELECTROLIZADOR
Área del electrodo 16 cm2
Potencia 2W
Voltaje permisible 0-2.0 V DC
Corriente permisible 0-2 ADC
Producción de H2 8.6 cm3
/min
Producción de O2 4.3 cm3
/min
CELDA DE COMBUSTIBLE
Área del Electrodo 16 cm2
Potencia 300mW
Voltaje Generador a prueba de corto circuito 0.4-0.96 V DC
MOTOR ELECTRICO Y HELICE
Potencia 10 mW
CAPACIDAD DEL TANQUE DE GAS 40 cm3

4. COMPONENTES DEL SISTEMA
Fig. 2 Componentes del kit SE-8573: panel solar, electrolizador, celda de combustible y motor
eléctrico
DESCRIPCION DEL PROCESO EXPERIMENTAL
Inicialmente se vierte agua destilada sobre los 2 tanques de almacenamiento, el primer tanque se llena
de agua destilada hasta el borde de la manguera superior, asimismo se vierte agua destilada sobre el
segundo tanque hasta 40 cm3
Fig 3 Suministro de agua destilada al tanque de almacenamiento

5. Posteriormente se conecta el panel fotovoltaico al electrolizador para separar el agua en hidrógeno y
oxigeno, el hidrógeno obtenido se almacena en un tanque; a continuación se desconecta el tanque del
electrolizador para luego procede a conectar los terminales de este (tanque de hidrógeno) a los
terminales de la celda de combustible con la finalidad de que se produzca el proceso inverso a la
electrolisis, es decir se juntan los átomos de hidrógeno y de oxigeno (del aire) para formar moléculas
de agua y a su vez se produzca electricidad y calor, la electricidad obtenida se utiliza para hacer
funcionar en este caso un pequeño motor eléctrico.
CORRIENTE Y VOLTAJE CARACTERISTICO Y CURVA DE POTENCIA DE LA CELDA
DE COMBUSTIBLE PEM
FECHA: Puno 03 de Abril del 2013
LUGAR: Mega Laboratorio de la Universidad Nacional del Altiplano
Rango de medición del Amperímetro: 10 A ó 20 A=
Este experimento consiste en conectar la celda de combustible a diferentes resistencias eléctricas con
el fin de determinar el voltaje y la corriente característicos, asimismo la curva de potencia. El circuito
eléctrico se muestra en el siguiente gráfico
Fig. 4 Diagrama del circuito en el cual se conecta la celda de combustible a diferentes resistencias
eléctricas.
V
A
Multímetro
Rango: 10 A ó 20 A=
Multímetro
Celda de combustible Resistencia
variable

6. CURVA CARACTERISTICA DEL VOLTAJE RESPECTO DE LA CORRIENTE
y = 14881x4
- 3198.5x3
+ 231.88x2
- 11.668x + 0.773
R
2
= 0.9975
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
I(A)
Voltaje(V)
Tabla 2: Medida de los valores de voltaje y corriente de la celda de combustible con diferentes
resistencias.
El
El gráfico de los datos experimentales se tiene a continuación:
Fig 5. Esta curva obtenida experimentalmente es similar a la proporcionada por el fabricante.
)(R V(Voltio
s)
I(A) P(W)
Calculad
o
P=V.I
330 0.753 0.0023 0.00173
100 0.695 0.0069 0.00479
10 0.510 0.0413 0.02106
4 0.315 0.0739 0.02370
2 0.288 0.0845 0.02434
1 0.219 0.0961 0.02100

7. CURVA DE POTENCIA COMO FUNCIÓN DE LA CORRIENTE
y = -459.91x
4
+ 106.66x
3
- 13.105x
2
+ 0.909x - 0.0005
R
2
= 0.9974
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
I(A)
P(W)L
V
A
Multímetro
Rango: 10 A ó 20 A=
MultímetroCelda de
combustible
Motor
eléctrico
POTENCIA EN FUNCION DE LA CORRIENTE
La curva de potencia de la celda de combustible cuando se conecta a varias resistencias es un función
cuadrática aproximadamente, asimsimo esta curva es similar a la curva descrita en el manual [1].
Fig. 6 Curva de potencia de la celda de combustible para diferentes resitencias
CONCLUSION:
Como se puede observar, la potencia máxima de salida de la celda de combustible se da para una
corriente que esta alrededor de 0.0845 A y en nuestro caso corresponde a una resitencia de 2 (tabla
4.3)
EXPERIMENTO 1-3: CELDA DE COMBUSTIBLE CONECTADO A MOTOR ELECTRICO
( 11R )
LUGAR: Mega Laboratorio de la Universidad Nacional del Altiplano
FECHA: Puno 03 de Abril del 2013
En este experimento se considera la celda de combustible conectado al motor eléctrico de 11R :
Fig. 7 La celda de combustible esta conectado al motor eléctrico, el voltímetro y amperímetro miden
simultaneamente el voltaje y corriente.

8. Los datos experimentales se describen en la siguiente tabla:
Tabla 3 Valores de tiempo, voltaje y corriente para un cierto consumo de hidrógeno (5 cm3
de
incremento)
EFICIENCIA ENERGETICA DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE PEM
Se tiene la siguiente relación descrita en el manual [1]:
hHhidrógeno
eléctrica
energía
HV
tIV
E
E
2
...
η
ANÁLISIS:
El gráfico de los datos experimentales para un volumen inicial de 20 cm3
se observa en la siguiente
figura.
La variación del volumen de hidrógeno a medida que transcurre el tiempo corresponde prácticamente
a una función lineal con pendiente negativa; asimismo podemos afirmara que estos datos
experimentales se ajustan al modelo teórico indicado en el manual del equipo [1]; el coeficiente de
correlación R2
=0.9996 nos permite afirmar que existe una alta correlación entre el tiempo y el
volumen.
)( 3
2
cmVH
t(s) V(Volti
os)
I(A) P(W)
Calculado
P=V.I
40 0 0.487 0.0180 0.00877
35 780 0.483 0.0193 0.00932
30 126
0
0.479 0.0211
0.01011
25 252
0
0.475 0.0255
0.01211
20 312
0
0.468 0.0272
0.01273
15 360
0
0.454 0.0287
0.01303
10 438
0
0.429 0.0297
0.01274
5 516
0
0.420 0.0265
0.01113
0 570
0
0.418 0.0202
0.00844
457.0V 0241.0I
01093.0P

9. CONSUMO DE HIDROGENO EN LA CELDA DE COMBUSTIBLE
VH2 = 0.0069.t - 0.3013
R2
= 0.9935
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Tiempo (s)
Consumodehidrógeno(cm3
)
Fig 8. El volumen de hidrógeno disminuye linealmente respecto del tiempo, donde el coeficiente de
correlación es de 0.01093W (10.9mW)
A continuación consideremos la celda de combustible como el sistema que consume hidrógeno,
entonces podemos obtener un gráfico del consumo en función del tiempo; es decir es el proceso
equivalente e inverso al anterior
Fig. 8. Consumo de hidrógeno en el tiempo por la celda (a una potencia de 0.01093W)
CONTENIDO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO COMO UNA FUNCION DEL TIEMPO
VH2 = -0.0085.t + 20.098
R2
= 0.9996
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Tiempo (s)
Contenidodeltanquedealmacenamiento(cm3
)

10. A medida que ingresa hidrógeno del tanque de almacenamiento, la celda de combustible consume este
hidrógeno y lo convierte en agua, en electricidad y calor, este consumo también es lineal respecto del
tiempo.
ANALISIS (Parte 2): Cálculo de la eficiencia energética de la celda de combustible:
Sustituyendo valores se tiene:
hHhidrógeno
eléctrica
energía
HV
tIV
E
E
2
...
η
%53.141453.0
108.101040
57000241.0457.0
3
636


m
J
xxmx
sAxVx
energíaη
La eficiencia de la celda de energía cuando esta conectada al motor eléctrico es de 14.53%, este valor
esta dentro de lo que la teoría y el fabricante considera [1].
El error relativo es:
%83.12%100
1667.0
1453.01667.0
(%) 

 xer
Como hemos indicado anteriormente, las diferentes variables que intervienen en el proceso
experimental influyen en la eficiencia.
CONCLUSION Y EFICIENCIA IDEAL DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE
La potencia eléctrica de salida de la celda de combustible es aproximadamente constante con el
tiempo (0.01093W). El consumo de hidrógeno también es constante, como se observa en el grafico
de consumo de H vs el tiempo.
La eficiencia de energía de la Celda de Combustible conectada al motor es del 14.53 %. Esto
significa que el 14.53 % de la energía almacenada en el hidrógeno con el cual opera la Celda de
Combustible sale como energía eléctrica. La Celda de Combustible también produce calor; esto
limita la eficiencia de la salida. La eficiencia ideal ηid a T=13 º C es:
molK
J
molK
J
K
H
ST
id
.
285840
)
.
985.162.(286
1
.
1





η
84.08369.0 idη
%84idη
CONCLUSION
La eficiencia de la conversión de energía, asimismo la eficiencia ideal obtenidas en bases a los
experimentos se aproxima a los valores establecidos por el fabricante de la celda de combustible SE-
8573.

11. BIBLIOGRAFIA
[1] C. Voigt, S. Hoeller, U. Kueter. Fuel Cell Technology for Classroom Instruction. BASIC
PRINCIPLES, EXPERIMENTS, WORK SHEETS. Print. Books on Demand GmbH Norderstedt.
First Edition 2005. Germany.
[2] h-tec Wassertoff-Energie-Systeme GmbH. Operating Instructions FUELL CELL. F107 PEMFC
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[3] José Ma De Juana, Adolfo de Francisco García, Jesús Fernández Gonzáles, Florentino Santos
García, Miguel Ángel Herrero García, Antonio Crespo Martínez. ENERGÍAS RENOVABLES PARA
EL DESARROLLO. International. Thomson Editores Spain 2003.
[4] Duffie, J.A., Beckman, W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. Edit. John Wiley & Sons.
1980.
[5] Soteris A. Kalogirou. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. Edit. Elsevier. 2009.