Este documento presenta un prototipo mejorado de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) alimentada con gas hidrógeno (HHO). La metodología propuesta incluye rediseñar los componentes de la celda PEMFC utilizando herramientas CAD, simular el flujo de gas dentro de la celda mediante elementos finitos, realizar mejoras basadas en los resultados y volver a simular. El objetivo es mejorar la eficiencia de conversión de energía en un 4% en comparación con las celdas PEMFC

1. 1
Prototipo de una Celda PEMFC alimentada con gas
Hydrox
Leandro Rache Sánchez y María Lucía Urrego Moreno
Facultad de Ingeniería Biomédica, Electrónica y Mecatrónica Universidad Antonio Nariño - Bogotá
Resumen—El objetivo de este trabajo es presentar una pro-
puesta de diseño de los componentes de un prototipo para
una celda de combustible de intercambio protónico operando
con gas Hydrox (PEMFC), y efectuar una simulación del flujo
de gas Hydrox por elementos finitos para observar algunas
características de funcionamiento de esta celda de combustible,
validando la viabilidad de su implementación de acuerdo con los
resultados obtenidos.
Index Terms—pemfc simulation, control, design, energy, Hy-
drogen.
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
EL desbordado consumo energético de manera no soste-
nible ha afectado el medio ambiente y sus ecosistemas,
siendo necesario reducir las emisiones de gases contaminantes
a la atmosfera. Estas emisiones son generadas principalmente
de los combustibles de base carbonada, tales como los prove-
nientes de origen fósil o los biocombustibles. Una alternativa
presente en estos últimos años apunta hacia el uso de celdas
de combustible operando con Hidrógeno. Estos avances tecno-
lógicos son impulsados por la necesidad de buscar soluciones
sostenibles a la demanda energética actual y tambien para
preservar el medio ambiente [1]. Las tecnologías actuales para
generar hidrógeno y obtener energía de manera eficiente a
partir del hidrógeno aun requieren madurar y los desafios estan
enfocados en dos áreas principalmente: la primera consiste
en obtener hidrógeno con tecnologías limpias y de manera
sostenible y la segunda consiste en cómo transformar de
manera eficiente el hidrógeno en energía electríca, mecánica
u otra forma en la que pueda aplicarse a las necesidades de
los diversos sectores económicos.
Las principales tecnologías para la obtención de Hidrógeno
son la Electrólisis y el reformado de gas metano. El hidrógeno
generado debe almacenarse y transportarse, lo cual genera
nuevamente desafios tecnologicos para abordar de la mejor
manera estas necesidades para el manejo del hidrógeno.
Una variable a tener en cuenta en la obtención de Hidrógeno
es el costo del equivalente energético en relación con el
costo para la obtención de un galon de gasolina. Este aspecto
denota la viabilidad económica de la tecnología para generar
hidrógeno y competir con los combustibles actuales de origen
fósil. El segundo escenario es la generación de energía a partir
del hidrógeno, aca el desafío tecnológico esta en obtener el
mejor nivel de eficiencia en la transformación química del hi-
drógeno en agua [2]. Las celdas de combustible de intercambio
protónico (PEMFC) [1] actuales han evolucionado ofreciendo
eficiencias de más del 50 % en la conversión, mientras que los
motores de combustión a gasolina sólo transforman el 18 %
de la energía suministrada como energía útil.
En este escenario se presenta el desafío de si és posible
obtener mejores resultados en la transformación de energía
para una celda PEMFC, que redunden en una mayor eficiencia
en la conversión de energía por la celda de combustible?
Los resultados de este trabajo permitiran cualificar estos
niveles de eficiencia adicionales en la conversión de las celdas
PEMFC [3] que propenderan en una mayor autonomía de
vehiculos operados por hidrógeno, buscando generar nuevas
ideas innovadoras que redunden en una mayor eficiencia de la
celda de combustible. La viabilidad se enmarca en términos
de tiempo a 12 meses, aplicando herramientas de modelado
y simulación que permitan plasmar los posibles beneficios en
las mejoras por obtener para las celdas de combustible tipo
PEMFC.
El enfoque específico está orientado a la propuesta de diseño
para construcción de prototipos de celdas electroquímicas,
la viabilidad de implementar posibles mejoras en el diseño
de los componentes basados en los modelos de operación
actuales para las celdas PEMFC, manteniendo los materiales
y procesos de conversión electroquímica desarrollados en las
celdas actuales [4], [5].
Este tipo de mejoras puede incidir positivamente en las
celdas de combustible PEMFC empleadas para uso industrial
o vehicular, redundando en un menor costo de conversión
energética y una mayor eficiencia en la transformación de
energía.
II. OBJETIVOS
II-A. Objetivo General
Implementar Mejoras en los componentes de la celda,
mediante diseño de un prototipo de celda PEMFC alimen-
tada con gas Hydrox, empleando herramientas CAD / CAM
para encontrar una expresión gráfica que permita validar su
funcionamiento y posible implementación.
II-B. Objetivos Específicos
Rediseñar los elementos constitutivos necesarios que de-
be tener la celda PEMFC, tomando en cuenta las mejoras
a incluir.
Definir las características de la celda PEMFC mediante
elaboración de bosquejos de diseño de la celda para
operar con gas HHO.

2. 2
Efectuar el diseño de piezas empleando herramientas
CAD 3D.
Implementar mejoras en la refrigeración de la celda en
el diseño, que permitan reducir el consumo de energía
necesario para mantener la refrigeración de la celda
PEMFC.
Observar el comportamiento del flujo de gas en la celda
por medio de una herramienta de simulación por elemen-
tos finitos.
Generar insumos para futuros trabajos que permitan
validar y mejorar la celda PEMFC.
III. METODOLOGÍA
Basados en el estado del arte para este proyecto, se definen
los siguientes pasos para implementar el desarrollo de una
celda de combustible PEMFC mejorada:
III-A. Rediseño Celda PEMFC
Para esta fase se debe disponer de los recursos necesarios
para el diseño 3D de la celda, incluyendo los elementos a
mejorar. Se establece una lista de caracteristicas a incluir en el
diseño mejorado, se establece un bosquejo del prototipo mejo-
rado y posteriormente se diagraman las partes constitutivas de
la celda PEMFC. En este proceso de diseño y diagramación se
empleará la herramienta de diseño 3D Solid Works, disponible
en las aulas de informática de la Universidad. También se
incluirán planos con vistas que representen con claridad los
detalles del diseño. El resultado esperado es la obtención del
diseño 3D de las piezas rediseñadas, que conforman la celda
PEMFC.
III-B. Simulación por elementos finitos
Una vez obtenidos los diseños 3D de la celda mejorada
PEMFC, se procede a cargar estos diagramas en una herra-
mienta de simulación especializada para análisis de fluidos.
Se empleará la Herramienta ANSYS para este propósito,
disponible en los laboratorios de simulación de la Universidad.
Una vez cargados los diagramas en la herramienta de si-
mulación, se procederá a parametrizar las variables necesarias
para la simulación del flujo de gas y su comportamiento al
interior de la celda. Se establece el mallado de las piezas y
por último se ejecuta la simulación del flujo de gas, obteniendo
detalles descriptivos del comportamiento del flujo de gas en
la celda PEMFC. Los resultados esperados son las gráficas de
flujo de gas, obtenidas en la simulación por elementos finitos.
III-C. Mejoras y Ajustes
Basados en los resultados de la simulación por elementos
finitos, se procede a validar y mejorar características de las
partes de la celda que sean requeridas, buscando de mantener
el flujo de gas a una presion específica y en régimen laminar.
Los resultados esperados son los diseños mejorados 3D de
acuerdo a los resultados de la simulación de las piezas
iniciales.
III-D. Simulación y Análisis de Resultados
Una vez implementadas las mejoras se procede nuevamente
a la simulación por elementos finitos de la celda mejorada
PEMFC con la herramienta ANSYS, se obtienen los resultados
finales asociados al flujo de gas al interior de la celda, se
analizan los resultados y se presentan los resultados obtenidos.
Los resultados esperados son las gráficas de la simulación de
flujo de gas de las piezas mejoradas, que componen el diseño
final de la celda PEMFC operando con gas Hydrox.
III-E. Eficiencia de la Celda Mejorada
Se procede a validar de manera teórica el desempeño de la
celda mejorada, obteniendo la eficiencia de la celda PEMFC
con los parámetros establecidos en el modelo matemático de
la celda, incluyendo las pérdidas asociadas a los dispositivos
requeridos para implementar el sistema de conversión de ener-
gía, comparando posteriormente el desempeño con el sistema
de conversión de energía empleando la celda PEMFC original.
Los resultados esperados son un incremento de la eficiencia
de un 4 % del sistema de conversión que emplea la celda
PEMFC mejorada en relación con la eficiencia del sistema
de conversión empleando la celda original.
IV. CRONOGRAMA
1
V. PRESUPUESTO
1
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3. 3
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