FQ-Engel

11.13 Células de combustible 257
FIGURA 11.9
El voltaje de la célula en una batería
de litio se genera por el movimiento del
litio entre un lugar en la superficie de
LiCoO 2
y una posición intercalada
entre hojas de grafito.
Electrodo positivo
Carga
Electrodo negativo
Li + Li +
Co
O
Li
Descarga
LiCoO 2
Carbón especial
magnitud mayor que en las baterías disponibles con el mismo volumen, las células de combustible
tienen mayor incidencia alimentando a dispositivos manuales. La discusión siguiente
está limitada a la tecnología más conocida, la célula de combustible de membrana
de intercambio de protones (PEMFC).
La célula de combustible de membrana de intercambio de protones usa H 2
y O 2
como
reactantes y fueron originalmente usadas por la NASA en los vuelos espaciales Gemini
de los años 60. Los principios de esta tecnología no han cambiado en los años transcurridos.
Sin embargo los avances de la tecnología han aumentado significativamente la potencia
generada por unidad de peso, así como por unidad de área de los electrodos. En la
Figura 11.10 se muestra un esquema de un PEMFC simple y las reacciones de semicélula
relevantes. El ánodo y cátodo tienen canales que transportan H 2
y O 2
al catalizador y a la
membrana. Una capa de difusión intermedia asegura la distribución uniforme de los reactantes
y la separación de los gases del agua formada en la reacción. La membrana está
envuelta con un catalizador (usualmente Pt o aleaciones de Pt) que facilita la formación
de H + y la reacción entre O 2
y H + . Las unidades individuales se pueden agrupar para formar
una pila de modo que el potencial de la pila es un múltiplo del potencial de la célula
individual.
El corazón de esta célula de combustible es la membrana de intercambio de protones,
que funciona como un electrolito sólido. Esta membrana facilita el paso de H + desde el
ánodo al cátodo en el circuito interno, y también evita que los electrones y los iones negativos
se muevan en dirección opuesta. La membrana debe ser fina (~10–100 mm)
para
permitir un transporte rápido de la carga a densidades de corriente razonablemente elevadas
y no debe ser reactiva a los potenciales presentes en la célula. Las membranas más
usadas son formas poliméricas del ácido perfluorosulfónico. Esas membranas son muy
conductoras si están completamente hidratadas. En la Figura 11.11 se describe la estructura
interna de dichas membranas. En la Figura 11.11a se ilustra cómo facilita la membrana
el transporte de H + . Describe las membranas como constituidas por cavidades