Diseño y Manufactura de Electrolizador-Celda de Combustible

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA 
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
T E S I S 
DISEÑO Y MANUFACTURA DE PROTOTIPOS 
ELECTROLIZADOR – CELDA DE COMBUSTIBLE 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL 
 
P R E S E N T A N 
MARÍA ISABEL LÓPEZ SÁNCHEZ 
CESAR ARTURO MORALES ESPINOSA 
 
 ASESOR: DRA. ROSA DE GUADALUPE GONZÁLEZ HUERTA 
 
 MEXICO, D. F. 2014. 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIAS 
A nuestros padres como un pequeño pago de lo mucho que les debemos, 
por su esfuerzo y sacrificio. Gracias. 
A nuestros hermanos (as) por brindar su apoyo cuando más lo requerimos. 
A nuestros abuelos por el apoyo que nos brindaron. 
 
 
AGRADECIMIENTO 
A nuestra asesora Dra. Rosa de Guadalupe González Huerta por su apoyo para 
seguir adelante y conseguir nuestra meta. 
 
Se agradece a la SIP-IPN, proyecto multidisciplinario 1540 
 
Se agradece el apoyo otorgado por la Secretaria de Ciencia Tecnología e 
Innovación del D.F. convenio ICYTDF/193/2012 para el desarrollo de este 
proyecto. 
 
 
 
RECONOCIMIENTO 
Al Instituto Politécnico Nacional que nos abrió las puertas para encaminarnos 
 a la vida profesional. 
 
A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas por 
habernos formado profesionalmente en el área de Ingeniería Química Industrial. 
 
 
 
RESUMEN 
Este trabajo se enfoca en establecer una metodología para el diseño y 
manufactura de un sistema integrado por un electrolizador y una celda de 
combustible de membrana de intercambio protónico (tipo PEM, por sus siglas en 
ingles), el electrolizador tiene como función la producción de hidrógeno y oxígeno, 
estos gases se alimentan a una celda de combustible para generar energía 
eléctrica. El hidrógeno es considerado como una fuente potencial de energía 
siendo renovable y no contamina al medio ambiente, actualmente su producción 
va dirigida en su mayor parte hacia la industria petroquímica y la industria química 
básica, mientras que el oxígeno es empleado en medicina. En este trabajo se 
describe el principio de funcionamiento del electrolizador y sus componentes, de la 
misma forma para la celda de combustible y un stack de electrolizador conformado 
de dos ensambles. 
 
El hidrógeno se puede obtener mediante diversos procesos: principalmente por 
reformado, gasificación, ciclos termoquímicos, electrólisis o producción biológica 
los dos primeros procesos son los que se utilizan actualmente en la industria, la 
electrólisis está teniendo cada vez mayor presencia e interés en la producción de 
hidrógeno por su acoplamiento con fuentes renovables de energía. Por lo anterior 
este estudio se enfoca en el diseño y manufactura de un electrolizador para 
generación de gases mediante la descomposición de la molécula del agua en 
hidrógeno y oxígeno utilizando energía eléctrica. El hidrógeno es considerado 
como el vector energético del siglo XXI y su importancia radica en su utilización en 
celdas de combustible, las cuales generan electricidad, calor y agua durante su 
funcionamiento. Ante la evidente necesidad de encontrar una alternativa 
energética que sustituya, al menos parcialmente y de forma progresiva, a los 
combustibles fósiles en un futuro próximo, estos sistemas que utilizan las 
tecnologías del hidrógeno acopladas a energías renovables serán un aporte 
básico para profundizar en la aplicación de energías alternas. 
l 
 
 
II 
 
OBJETIVOS: 
 
Objetivo General: 
o Diseñar y manufacturar prototipos: electrolizador-celda de combustible. 
 
 
Objetivos Específicos: 
 
o Proponer una metodología para el diseño y la manufactura de prototipos, 
basada en especificaciones y validaciones de los componentes y pruebas 
de desempeño de un sistema electrolizador-celda de combustible. 
o Diseñar, manufacturar y poner en funcionamiento 10 prototipos 
representativos de las tecnologías del hidrógeno, los cuales estarán 
integrados por un electrolizador, un sistema de almacenamiento de gases y 
una celda de combustible de membrana de intercambio protónico. 
o Producir hidrógeno mediante el proceso de electrólisis para utilizarlo como 
fuente energética en una celda de combustible. 
o Diseñar e integrar un stack de electrólisis de dos ensambles para asegurar 
la producción de hidrógeno requerido por distintas celdas de combustible. 
o Integrar un prototipo global que incluya las tecnologías del hidrógeno para 
establecer prácticas de laboratorio, incluyendo la elaboración de un manual 
didáctico. 
 
 
 
 
III 
 
JUSTIFICACIÓN 
Con los problemas actuales de contaminación y escasez de los combustibles 
fósiles, se requiere obtener una energía limpia y renovable para aminorar los 
riesgos ambientales y el calentamiento global del planeta, abasteciendo la energía 
requerida para el desarrollo industrial y uso de nuevas tecnologías. Como parte de 
la solución a estos problemas se propone la utilización de hidrógeno debido a que 
es un vector energético limpio y su tecnología es de las más atractivas para ser 
utilizada en la generación de energía eléctrica y como combustible en el 
transporte. 
Existen diferentes métodos para la producción de hidrógeno, en este trabajo se 
empleará la electrólisis probando que mediante distintos electrolizadores de 
membrana de intercambio protónico (monocelda y un stack de dos ensambles); se 
obtendrá suficiente hidrógeno y oxígeno, para ser alimentados a una celda de 
combustible. 
Con el propósito de contribuir al impulso de las tecnologías del hidrógeno nuestro 
trabajo establece una metodología que servirá de guía para el diseño y 
manufactura de nuevos prototipos, analiza y detalla los componentes que integran 
a cada dispositivo para lograr una buena manufactura y ensamble. 
Finalmente se validan los modelos mencionados anteriormente estableciendo 
criterios y requerimientos necesarios para la instalación y buen funcionamiento del 
sistema. 
 
 
 
 
 
 
IV 
 
CONTENIDO 
RESUMEN………………………………………………………………………………….I 
OBJETIVOS……………………………………………………………………………….II 
JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………………….III 
 
CAPÍTULO 1 
 
1.1 Estado actual de los combustibles fósiles………………………………..……2 
1.2 Energías Alternas………...……………………………………………………....4 
1.2.1 Energías Renovables…………………………………………………..…5 
a) Energía solar……………………………………………………….8 
b) Energía Eólica ………………………………………………….....9 
c) Bioenergía …………………………………………………….….10 
1.2.2 Hidrógeno como vector energético ...……………………………….…11 
1.2.2.1 Producción de hidrógeno…………………………………..…..12 
a) Basada en hidrocarburos ……………………………………….12 
b) Basada en fuentes renovables …………………………………14 
1.3 Electrolizador ..…………………………………………………………………..15 
1.4 Sistema de Almacenamiento de hidrógeno…..………………………...……17 
1.5 Celda de Combustible …..…………………………………………………..…18 
1.6 Metodologías de manufactura…………………………………………………20 
 
CAPÍTULO 2 
 
 2.1 Diseño del electrolizador ………………………………………………………26 
 2.1.1 Carcasas.………………………………………………………………….34 
 2.1.2 Ensamble membrana electrodos……………………….………………38 
 2.1.3 Curva Característica.…...……………………………………………..…42 
 
 
V 
 
 2.2 Sistema de Almacenamiento.…………………………………………………44 
 2.3 Celda de Combustible.……………………………………………………...…45 
 2.3.1 Diseño.….…..………………………………………………………….…46 
 2.3.2 Ensamble membrana electrodos.……………………………………...48 
 2.3.3 Caracterización.……………………………………...……….…………49 
 2.4 Integración del prototipo final.………………………………..…………….…51 
 2.5 Escalamiento de un Electrolizador de dos ensambles.….……..…………52 
 2.5.1 Diseño…………………………………………………………….………52 
 2.5.2 Maquinado……………………………………………………….……….53 
 2.5.3 Preparación de electrodos.……………………………………………..55 
 
CAPÍTULO 3 
 
 3.1 Electrolizador……………………..…………………………………………..…58 
 3.1.1 Curvas dedesempeño………………………………………………..…60 
 3.2 Sistema de Almacenamiento…………………………………………………..64 
 3.3 Celda de Combustible…………………………………………………..…...…67 
 3.3.1 Prueba de detección de fugas ………………………….………………71 
 3.3.2 Instalación del sistema.……………………………………..………...…72 
 3.4 Integración del prototipo electrolizador celda de combustible………….….74 
 3.5 Stack de un electrolizador de dos ensambles……………….………..……..74 
 3.5.1 Electrolizador stack arreglo en serie y paralelo……………………....79 
CONCLUSIONES……………………………………………………………………..…82 
 
EXPECTATIVAS…………………………………………………………………………83 
 
REFERENCIAS……………………………………………………………………….…85 
 
ANEXO……………………………………………………………………………………87 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COMBUSTIBLES FÓSILES Y CONTAMINACIÓN, 
IMPORTANCIA DE LAS ENERGÍAS ALTERNAS Y RENOVABLES, 
CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL ELECTROLIZADOR, 
CELDA DE COMBUSTIBLE Y SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO 
 
 
 
 
 
 
1
 
 
2 
 
CAPÍTULO 1 
 
1.1 ESTADO ACTUAL DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES 
La humanidad necesita energía para cualquier función que desarrolle, los 
procesos que proporcionan lujos y comodidades en la vida diaria requieren de un 
gasto energético. Un proceso industrial se puede desarrollar mediante el uso de 
diferentes fuentes de energía. Estas fuentes pueden ser renovables o no 
renovables. Hoy en día todavía se utilizan mayormente recursos provenientes de 
fuentes de energía no renovable o combustibles fósiles los cuales generan 
problemas ambientales, ver figura 1.1. Los hidrocarburos consisten en depósitos 
de organismos que alguna vez estuvieron vivos y la materia orgánica se fue 
descomponiendo durante millones de años [1,2]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Imagen por Isabel López 
Figura 1.1. Esquema que representa los problemas ambientales en el planeta por la 
quema de los combustibles fósiles. 
 
 
3 
 
Históricamente, los combustibles fósiles se consideraban disponibles en grandes 
cantidades, fáciles de obtener y transportar. Sin embargo se reconoce en la 
actualidad que sus fuentes de suministro son limitadas, se están agotando y su 
reposición podría tardar milenios. 
Los combustibles que se queman son responsables de grandes problemas 
medioambientales debido a que liberan a la atmósfera altos niveles de dióxido de 
carbono, ejemplos de ello son la acumulación de gases invernadero, acidificación, 
contaminación del aire y el agua, daño de las capas superficiales y ozono 
troposférico, en pocas palabras en el planeta entero. Estas son señales de 
problemas ecológicos causados por la liberación de contaminantes que 
normalmente están de forma natural en la estructura de los combustibles, como el 
sulfuro y el nitrógeno. 
Actualmente, la quema de los productos del petróleo es responsable del 30% de 
las emisiones de dióxido de carbono en aire, proveniente del consumo y de la 
transformación de los combustibles fósiles en energía. El gas natural (metano) 
libera menos dióxido de carbono debido a que su molécula tiene un átomo de 
carbón por cuatro átomos de hidrógeno, considerándose que las emisiones más 
grandes son causadas por la combustión del carbón. 
En las últimas décadas los precios de los combustibles fósiles han aumentando 
debido a su escasez en el mercado. Esto está provocando un cambio a fuentes 
alternas de energía que, de hecho, ya se están empezando a notar; razón por la 
que estas fuentes alternativas de energía, como el hidrógeno y las energías 
renovables, serán requeridas para complementar a corto plazo a los hidrocarburos 
que actualmente alimentan las viviendas, negocios y vehículos, hablando de largo 
plazo podrían ir reemplazando completamente algunos servicios como es la 
producción de electricidad. 
 
 
4 
 
1.2 ENERGIAS ALTERNAS 
 
Las energías alternativas presentan ventajas siempre y cuando se explote un 
recurso renovable y a su vez no produzcan contaminación en el medio ambiente 
donde se desenvuelven los seres vivos y no perjudiquen su salud; siguiendo con 
la misma línea algunas de las características que deben cumplir estas energías 
son que: no consuman combustibles fósiles, pertenezcan a fuentes de generación 
de energía inagotables, no contaminen el medio ambiente, no produzcan 
mutaciones genéticas en ningún ser vivo, no produzcan ni alteren el clima, y no 
alteren el equilibrio de la flora y la fauna [3,4]. 
 
Las energías alternas se dividen en tres grandes grupos: 
 Fuentes de energía renovables (eólica, solar, mareomotriz, etc.) 
 Biocombustibles (biomasa, biodiesel, bio-etanol) e hidrógeno. 
 Energía nuclear. 
Ante la difícil situación energética mundial; México requiere un cambio de 
paradigma energético. Se cree que el uso racional y eficiente de las actuales 
fuentes energéticas en combinación con la utilización de energías alternativas, 
renovables y conjuntándolas con la energía nuclear, son la solución a este 
problema. Lo anterior, bajo la premisa de que en todo momento se deberá 
garantizar la oferta energética al país. Esto lleva a considerar todas las 
alternativas energéticas no fósiles y preferentemente aquellas de carácter 
sostenible. El uso de fuentes de energía alterna y el almacenamiento de las 
energías renovables utilizando al hidrógeno como un portador de energía puede 
ayudar a complementar el sistema energético nacional. 
 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/Fuentes_de_energ%C3%ADa_renovables
http://es.wikipedia.org/wiki/E%C3%B3lica
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mareomotriz
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_nuclear
 
 
5 
 
1.2.1 ENERGIAS RENOVABLES 
 
Es de gran importancia reconocer las nuevas fuentes renovables de energía en el 
contexto internacional y nacional, los mecanismos políticos y de gestión que 
puede favorecer su desarrollo. 
 
Desde el inicio de las civilizaciones la energía en todas sus manifestaciones ha 
sido un elemento indispensable para la satisfacción de las necesidades cotidianas, 
partiendo de los usos y equipos más elementales, como la cocción de alimentos 
con los fogones de tres piedras, hasta los sofisticados aparatos electrónicos 
dedicados exclusivamente al ocio y al entretenimiento de las sociedades post-
industriales; la Energía se define como la capacidad que tiene un cuerpo o un 
sistema para realizar un trabajo o producir un cambio o una transformación [1]. 
 
La energía es entonces, ubicua y permanente. Ubicua, porque el hombre como 
ente biológico y social depende de ella, ya sea la radiación solar indispensable 
para las funciones biológicas y los ciclos agrícolas, como la fuerza motriz del 
viento y del agua requerida para impulsar los antiguos molinos de granos o los 
modernos equipos de generación eléctrica. Y es permanente porque las 
necesidades pasadas, presentes y futuras de energía son determinadas y 
conducidas por tres factores principales: el crecimiento de la población, el 
desarrollo económico y el progreso tecnológico. 
 
Durante la mayor parte de la historia, el sistema energético dependió de los flujos 
naturales de energía y de la fuerza animal y humana (figura 1.2), para proveer los 
servicios requeridos en forma de calor, luz y trabajo. La única forma de 
transformación conocida era de energía química a energía calorífica y luminosa, 
mediante la quema de leña o velas. 
 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Recuperado de http://xml.cie.unam.mx/xml/se/p/NUEVAS_ENERGIAS_RENOV.pdf. 
Figura 1.2. Energía a través de la fuerza humana y animal. 
 
 
México es un país exportador de petróleo, que ha sustentado su economía en la 
extracción y venta internacional de este recurso mineral. Sin embargo la 
producción nacional ha descendido en la última década y en el plan Nacional de 
Desarrollo 2013-2018 se reconoce que lasreservas han disminuido a partir del 
2008, aunque se ha duplicado la búsqueda de nuevos yacimientos no se han 
encontrado de las dimensiones necesarias para cubrir los recursos ya explotados. 
No obstante, existe una necesidad de hacer uso de fuentes alternas de energía, la 
cual no debe estar justificada por el agotamiento de las reservas fósiles en México. 
Apenas existe una cantidad considerable de reservas de hidrocarburos en el 
mundo, probablemente suficiente para los próximos 500 años. El problema más 
agudo se encuentra en la contaminación que se produce durante el uso de los 
mismos. Necesariamente el país y el mundo deben transitar hacia un escenario 
energético basado en energías renovables y aprovechar la energía solar, eólica, 
geotérmica, etc. 
 
En el 2001, el consumo de energía global fue de 425 x 1018 J, 86 % de esta 
energía fue obtenida de combustibles fósiles con contribuciones similares de 
petróleo, carbón y gas. La figura 1.3 muestra el panorama energético mundial a 
partir de 1850. En ella puede verse claramente como existió un cambio paulatino 
en el uso de la biomasa tradicional por los combustibles fósiles. El carbón se inició 
como el energético predominante a principios del siglo xx, cubriendo cerca de las 
 
 
7 
 
dos terceras partes de los requerimientos energéticos globales en la época de la 
primera guerra mundial. En la misma figura se observa el declive gradual del 
carbón a favor del petróleo y también el surgimiento de otras fuentes energéticas 
como el gas natural (el cual primero fue un subproducto de la extracción del 
petróleo), el fortalecimiento de la hidroelectricidad y a partir del periodo de la 
postguerra el surgimiento de la energía nuclear. Lo que se concluye de esta figura 
es que la civilización occidental está en una era donde el patrón de energía está 
dominado por los recursos fósiles, principalmente por el petróleo. 
 
 
Recuperado de http://www.sociedad.el.pais.edu.ar/2010/gcba/combustibles/tipos.htlm 
Figura 1.3. Evolución de las fuentes de energía primaria a nivel mundial, 1850-1990. 
 
 
 
http://www.sociedad.el.pais.edu.ar/2010/gcba/comunicacion/tipos.htlm
 
 
8 
 
a) ENERGÍA SOLAR 
 
La energía del sol se ha recibido en la tierra por varios millones de años y casi no 
se ha utilizado. Esta fuente natural será el recurso que nos proveerá de energía 
limpia en el futuro. La energía solar puede ser absorbida y convertida en energía 
eléctrica en módulos fotovoltaicos o convertida en calor en sistemas térmicos. La 
aplicación de estos dispositivos podría ser en tierra o en mar, en espacios 
desérticos e incluso en edificios o unidades habitacionales para disminuir el 
consumo energético y la quema de combustibles tradicionales. En los últimos años 
se ha incrementado el interés en la conversión directa de la energía solar en algún 
combustible almacenable y se ha intensificación el esfuerzo en investigación 
respecto al almacenamiento de la energía solar en enlaces químicos tal y como 
ocurre con el hidrógeno generado en el proceso de la electrólisis del agua usando 
energía solar, es altamente atractivo como un portador de energía limpia y existen 
diferentes reportes donde se plantean mecanismos y dispositivos para producir 
hidrógeno con materiales inorgánicos y sintéticos producidos de manera sencilla. 
En todo el planeta no llega la radiación solar con la misma intensidad, al dividir el 
planeta en seis zonas de insolación, puede observarse que casi todo México se 
encuentra en la segunda zona considerada de mayor insolación [4]. Ver figura 1.4. 
 
 
 
COLECTORES SOLARES TERMICOS 
 
 
 
 
 
Recuperado: Verma, S.P. (2005). Estadística básica para datos experimentales en sistemas fotovoltaicos, UNAM. 
 
Figura 1.4. Distribución global del potencial de conversión térmico solar 
mediante colectores solares. 
 
 
 
9 
 
b) ENERGÍA EÓLICA 
 
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que 
se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia las adyacentes de baja 
presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. El impacto social 
del empleo de la energía eólica es la creación de nuevas fuentes de trabajos, 
debido a que el recurso eólico abre la posibilidad de establecer una industria 
eólica con importantes beneficios económicos y ambientales que pueden ser el 
catalizador de un desarrollo regional o local [4]. En la figura 1.5 se observa un 
mapa donde se ilustra el potencial mundial de energía eólica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Recuperado de http://biogeomundo.blogspot.mx/2011/06/energia-eolica-vientos-eternos.html 
 
Figura 1.5. Distribución global del potencial de conversión de la energía del 
viento en la superficie terrestre. 
 
 
Las principales ventajas que ofrece la generación eoloeléctrica moderna son: 
 
 
10 
 
 Presenta un bajo costo en producción de electricidad, que resulta 
competitivo. 
 Está libre de los costos de combustible, dado que emplea un recurso 
natural inagotable. 
 Genera energía limpia con bajo impacto ambiental. 
 
La energía eólica es una alternativa renovable con mayor avance en el país; no 
obstante, requiere de mayor impulso, a fin de consolidar e impulsar su crecimiento 
más dinámico [2]. 
 
 
c) BIOENERGÍA 
 
La biomasa es la materia orgánica contenida en productos de origen vegetal y 
animal que puede ser capturada y usada como una fuente de energía química 
almacenada. La bioenergía se genera cuando los combustibles de origen biológico 
son usados para fines energéticos. Los productos secundarios en estado sólido, 
líquido y gaseoso son a menudo utilizados para proveer biocalor, bioelectricidad o 
biocombustibles. Los biocombustibles se refieren específicamente a los 
combustibles obtenidos de la biomasa y que se usan en el sector transporte. La 
bioenergía puede proveer una amplia variedad de servicios (calefacción, 
alumbrado, confort, entretenimiento, información, etc.). Existen otros 
biocombustibles como los que se obtienen de desechos animales (el estiércol del 
ganado y los desechos de pollo son fuentes útiles de bioenergía al generar 
biogas), desechos de aceites vegetales y animales (aceite quemado de cocinas y 
restaurants, se obtiene el biodisel), desechos de la caña de azúcar (se obtiene 
bioetanol); así como los desechos municipales (los desechos orgánicos sólidos 
originados en áreas urbanas representan una fuente considerable de energía al 
obtenerse biogás). Ver figura 1.6. 
 
 
11 
 
 
Recuperado de http://www.fao.org/bioenergy/28392-0a61de8f511d0a4d08b2137bc929214a7.pdf 
 
Figura 1.6. Ejemplos de bioenergías. 
 
 
En la actualidad, la generación de energía a partir de sistemas convencionales, 
aunado a su consumo desmedido forman parte de la grave e injustificada 
contaminación del agua, suelo y medio ambiente [2]. 
 
 
1.2.2 HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO 
 
Desde principios del siglo XIX, la comunidad científica ha reconocido al hidrógeno 
como una potencial fuente de energía. El hidrógeno como combustible ha recibido 
gran atención en los últimos años, debido a sus características favorables en 
términos del carácter sustentable, su obtención y su uso, incluyendo el empleo de 
energías renovables y una infinidad de materias primas también renovables. Su 
alto contenido energético por unidad de masa (120MJ/Kg, el más alto de los 
combustibles conocidos) lo hacen muy atractivo [5,6]. 
http://www.fao.org/bioenergy/28392-0a61de8f511d0a4d08b2137bc929214a7.pdf
 
 
12 
 
Adicionalmente, su uso para generación de electricidad en dispositivos de 
conversión de energía como las celdas de combustible, permiten un mejor 
aprovechamiento del contenido energético. Cuando el hidrógeno es empleado 
como combustible para generar electricidad las emisiones son exclusivamente 
vapor de agua y calor, un subproducto susceptible de aprovecharse en sistemasde cogeneración para incrementar aún más la eficiencia del uso de hidrógeno 
como combustible. Por todo lo anterior este gas, así como su alta compatibilidad 
con energías e insumos renovables, es hoy en día un candidato muy atractivo 
para sistemas energéticos eficientes, limpios y sustentables [7-14]. 
 
 
1.2.2.1 PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO 
 
Al igual que la energía eléctrica, el hidrógeno es una fuente de energía versátil, ya 
que se puede producir de una gran variedad de fuentes primarias de energía 
renovables (energía solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, etc.) y no renovables 
(petróleo, gas natural y carbón). 
 
La producción de hidrógeno se agrupan en dos categorías: las basadas en 
insumos de hidrocarburos (fósiles ó no fósiles), y la segunda en fuentes 
renovables [6]. 
 
a) Basada en hidrocarburos 
Las tecnologías basadas en hidrocarburos para la producción de hidrógeno 
dominan el mercado mundial con un estimado del 97% o más. Cerca de tres 
cuartas partes del hidrógeno industrial producido en el mundo se obtiene del 
metano, haciéndolo reaccionar con vapor de agua a 750 oC, en presencia de un 
catalizador de níquel. Otro 25% se fabrica con métodos similares, a partir de 
gases procedentes del refinado del petróleo o del carbón, además el metano 
 
 
13 
 
proveniente de fuentes renovables (biomasa) es susceptible de transformarse en 
hidrógeno. Los principales métodos que se utilizan para transformar los 
hidrocarburos en hidrógeno son: 
 
 Reformación catalítica. 
Este es un proceso catalítico que involucra la reacción ya sea de metano o de 
otros hidrocarburos ligeros para generar una mezcla de hidrógeno y monóxido de 
carbono. La mezcla es entonces separada para producir hidrógeno puro. Este 
método es la tecnología más eficiente y se encuentra disponible comercialmente, 
además puede ser aplicado para grandes cargas con un costo de producción 
accesible, por lo que se espera ayude en la transición hacia un amplio uso del H2. 
 
 Oxidación parcial 
Este proceso involucra la reacción de un combustible fósil con un limitado 
suministro de oxígeno para producir una mezcla rica en hidrógeno, el cual es 
posteriormente purificado. La oxidación parcial puede ser aplicada a una gran 
cantidad de hidrocarburos, incluyendo gas natural (metano), crudo pesado, 
biomasa sólida y carbón. Sus productos principales son hidrógeno y monóxido de 
carbono, el cual también puede usarse como combustible en celdas de 
combustible de alta temperatura. 
 
 Gasificación 
Este proceso consiste principalmente en hacer reaccionar oxígeno y carbón 
mineral, coque ó incluso biomasa, para obtener una mezcla de hidrógeno y 
monóxido de carbono, además de ciertas impurezas. Posteriormente mediante un 
proceso de purificación es posible obtener hidrógeno de alta pureza. 
 
Cabe mencionar que el proceso de purificación de hidrógeno en estos métodos 
implica hasta un 40% del costo final del producto. 
 
 
14 
 
b) Basada en fuentes renovables 
Existen diferentes métodos de producción de hidrógeno sin la utilización de 
hidrocarburos (siendo el más comercial la electrólisis del agua), los cuales van 
ganando importancia en el mundo debido a las mínimas emisiones de 
contaminantes. El método consiste en obtener electricidad de cualquier fuente 
renovable y alimentarla a un reactor electro químico o electrolizador para producir 
hidrógeno sin emisión de CO o CO2. 
 
 Electrólisis 
Usa energía eléctrica proveniente ya sea de una central nuclear, solar, eólica ó 
geotérmica, la electricidad es suministrada a un electrolizador para extraer el 
hidrógeno y el oxígeno del agua. 
 
 Foto conversión 
Por este método, se utilizan organismos biológicos (bacterias o algas) ó 
semiconductores que absorben luz solar, descomponen el agua y producen 
hidrógeno. A través de sus funciones metabólicas normales algunos organismos 
biológicos producen naturalmente hidrógeno; análogamente los semiconductores 
producen hidrógeno mediante la generación de una corriente eléctrica que 
descompone el agua. 
 
 Termoquímica 
Este método utiliza calor para producir hidrógeno a partir de la biomasa y 
desechos sólidos. Una tecnología a partir de pirólisis usa calor para licuar 
biomasa. Se usa vapor para producir hidrógeno a partir del biocombustible 
resultante, en un proceso conocido como reformado de vapor. Existen también los 
ciclos termoquímicos en donde el calor del proceso es aprovechado para generar 
un producto (metal), el cual asiste posteriormente para generar hidrógeno. 
 
 
 
15 
 
Existe una gran variedad de métodos por los cuales se puede producir hidrógeno. 
La elección individual o combinación de los mismos dependerá del costo/beneficio. 
Su compatibilidad en la mayoría de los casos con tecnologías de energía 
renovable hace del H2 un elemento limpio y conveniente para integrar sistemas 
energéticos sustentables y 100% renovables. 
 
 
1.3 ELECTROLIZADOR 
 
El proceso de electrólisis se ha utilizado prácticamente desde que se descubrió la 
electricidad. Actualmente, se emplea en un gran número de procesos industriales: 
el proceso cloro-álcali, la galvanoplastia y la generación de hidrógeno y oxígeno, 
entre los más importantes [7]. 
 
La función de un electrolizador es la descomposición de una sustancia haciendo 
pasar una corriente eléctrica, siendo una tecnología madura. Varios de estos 
reactores electroquímicos han comprobado ser una técnica confiable con tiempos 
de vida útil arriba de 20 años. Desde el punto de vista energético, estos sistemas 
son considerados como una tecnología comprometida con la economía del 
hidrógeno en combinación con las celdas de combustible. 
 
Actualmente, es raro encontrar sistemas de electrólisis del agua en donde se 
utilicen los dos gases generados, por lo regular sólo el hidrógeno se emplea y el 
oxígeno se libera al ambiente. Sin embargo, dado que las celdas de combustible 
se están proyectando para diversos usos, incluyendo su empleo en lugares 
remotos, serán requeridos ambos gases, por lo que el uso de electrolizadores será 
más atractivo económicamente hablando [15]. 
 
 
 
16 
 
La clave del uso de estos dispositivos radica en su acoplamiento con energías 
renovables, donde la energía eléctrica generada que no se pueda almacenar, se 
convertirá en hidrógeno y se utiliza este elemento como vector energético; de 
modo que la energía eléctrica producida quede contenida como energía química 
en el gas, ver figura 1.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Imagen por Dra. Rosa de Guadalupe González H. 
Figura 1.7. Sistema electricidad-hidrógeno. 
 
En términos de contaminación, los electrolizadores producen hidrógeno libre de 
emisión de CO2 a diferencia de los sistemas de reformado que utilizan gas natural 
como materia prima. Una de las energías que mejor se integra a un sistema de 
electrólisis es la solar y como se trata de una fuente de energía intermitente, se 
puede alimentar a un electrolizador y producir hidrógeno durante varias horas al 
día, este se puede almacenar y luego transportar y distribuir para satisfacer las 
necesidades requeridas. 
 
Existen diferentes tecnologías de electrolizadores, los cuales se han probado 
comercialmente y generan hidrógeno de alta pureza: electrolizadores alcalinos 
(tecnología madura comercialmente disponibles), electrolizadores de membrana 
 
 
17 
 
polimérica (en desarrollo tecnológico y comercial, uno de los primeros 
electrolizadores que uso membrana polimérica como electrolito fue desarrollado 
por General Electric Co. en 1966, para su aplicación en conjunto con las celdas de 
combustible.) y electrolizadores de óxidos sólidos o de alta temperatura 
(actualmente se encuentra en fase de investigación y desarrollo, y se proyecta su 
uso para producción de hidrógeno a gran escala). Existen diferencias 
fundamentales entre estastecnologías, pero en todos los casos los productos 
generales y las reacciones químicas conducen a los mismos resultados cuando se 
aplica una corriente eléctrica directa: 
 
H2O H2 + ½ O2 
 
Por principio termodinámico, la electrólisis del agua siempre produce una relación 
de dos volúmenes de hidrógeno por uno de oxígeno. 
 
1.4 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO 
 
Debido a la gran diversidad de las aplicaciones posibles del hidrógeno, es de 
esperarse que se requieran múltiples tipos de materiales para el almacenamiento 
del mismo; no será un solo tipo de material con el que se satisfagan todas las 
necesidades impuestas por las aplicaciones tanto móviles como fijas. El 
almacenamiento del hidrógeno es posible en forma de hidruros, líquida y como 
gas comprimido, este último es el más comercial (presiones entre 200 y 300 
bares), mientras que el H2 líquido requiere altas presiones y temperaturas 
criogénicas (enfriado con nitrógeno líquido). En la actualidad se reconoce que el 
almacenamiento y la distribución de este combustible son grandes retos por 
resolver. La difícil compresibilidad del gas y su alta fugacidad, son factores 
importantes que mantienen la investigación y el desarrollo en la mejora de 
sistemas convencionales de almacenamiento de hidrógeno, con el propósito de 
 
 
18 
 
aumentar la cantidad de energía almacenada o disminuir la energía utilizada para 
el proceso de almacenamiento [6]. 
 
1.5 CELDAS DE COMBUSTIBLE 
 
Una celda de combustible es un generador electroquímico que produce energía 
eléctrica a partir de la reacción química entre un combustible y el oxígeno. Se ha 
aceptado que el uso de las celdas de combustible como sistema de producción de 
energía en diversas aplicaciones estacionarias y portátiles, puede contribuir a 
resolver los problemas de contaminación. Por ejemplo, las emisiones relacionadas 
con el transporte pueden disminuir considerablemente al emplear motores 
eléctricos acoplados a celdas de combustible. La celda de membrana de 
intercambio protónico (PEM por sus siglas en ingles) es la óptima para este tipo de 
aplicaciones debido a su gran densidad de potencia, capacidad de arranque 
rápido y simplicidad de construcción. Actualmente, los mejores desempeños de 
celdas se obtienen empleando hidrógeno como combustible [3]. 
 
Las aplicaciones del hidrógeno como combustible se encuentran principalmente 
en la generación de energía eléctrica a través del uso de celdas de combustible. 
De un modo general, las celdas están integradas por tres elementos: dos 
electrodos (ánodo y cátodo) y un electrolito. En el ánodo se produce la reacción de 
oxidación del combustible, generando electrones y protones (si el combustible es 
hidrógeno). Los protones formados se difunden hacia el cátodo a través del 
electrolito, mientras que los electrones siguen un circuito externo. En el cátodo, la 
reacción de reducción del oxígeno tiene lugar por una combinación entre el 
oxígeno, los electrones y protones producidos en el ánodo. El electrolito es el 
medio de transporte de los protones de un electrodo al otro y sirve de separador 
entre los reactivos anódicos y catódicos [8]. Ver figura 1.8. 
 
 
 
19 
 
 
Rodríguez, J. 2010. Libro celdas de combustible 
Figura 1.8. Esquema del funcionamiento de una celda de combustible de 
membrana de intercambio protónico. 
 
 
La cinética de la reacción de electro-oxidación del H2, en un largo intervalo de 
temperatura, es más rápida (3 o 4 órdenes de magnitud) que la de combustibles 
compuestos (alcoholes, hidrocarburos, etc.), aunque para la electro-oxidación de 
estos últimos, se han desarrollado sistemas de catalizadores plurimetálicos con 
gran actividad catalítica y excelente tolerancia a la presencia de intermediarios de 
reacción que se forman durante su oxidación a CO2. Ahora, el metanol es el 
combustible líquido más estudiado. Otras sustancias como el etanol o el 
etilenglicol han sido consideradas en aplicaciones de celdas de combustible [13]. 
Una de las aplicaciones más importantes de las celdas de combustible de 
membrana polimérica es en el autotransporte. Existen desarrollos internacionales 
con prototipos en autos, (figura 1.9 a) y desarrollo nacional con prototipos de 3 kW 
de potencia en go-car, como el desarrollado en CINVESTAV o bien para 
autobuses de 150 kW, (Figura 1.9 b). 
 
 
 
20 
 
 
 
 
 
 
 
Cortesía del CINVESTAV 
Figura 1.9. a) Auto con celdas de combustible y b) Go-car con celdas de 
combustible desarrollado en el CINVESTAV. 
 
Un mercado significativo para las celdas de combustible son los go-kar, donde los 
requerimientos de potencia son significativamente menores a las de un automóvil 
3 kW para una patineta y 1 kW para una bicicleta aunque está restringido el peso, 
tamaño y costo para que puedan alcanzar niveles comerciales. La aceptación de 
esta tecnología entre los habitantes de una comunidad es por medio de difundir 
los beneficios que se obtiene en el transporte local, como ha estado funcionando 
en ciudades muy pobladas. El principal obstáculo para la comercialización de 
autobuses con celdas de combustible es el costo de la celda de combustible y su 
durabilidad. Al principio, la baja productividad de unidades encarecerá el costo de 
las unidades, que tendrá que ser absorbido por los productores, patrocinadores, 
gobierno y usuarios. El tiempo de vida debe ser en uso de al menos 6000 horas 
por año, por lo que el reto de durabilidad es muy importante [1]. 
 
1.6 METODOLOGÍAS DE MANUFACTURA 
 
El desarrollo y aceptación de las tecnologías del hidrógeno actualmente es con la 
demostración de prototipos, en los inicios de desarrollo se utilizó una técnica de 
prueba y error para el armado de distintos prototipos, actualmente como ya se 
tiene un avance importante en el entendimiento de los principios de 
a
) 
b 
 
 
21 
 
funcionamiento y componentes de la tecnología se están utilizando distintas 
metodologías de manufactura [16-20]. 
 
La metodología para la manufactura de un producto es un modelo de gestión 
enfocado en la creación de un flujo o proceso para poder entregar el máximo valor 
para los clientes, utilizando para ello los mínimos recursos necesarios. Un aspecto 
crucial en la manufactura es la etapa de diseño de un producto. A menudo se 
pueden especificar materiales y procesos conocidos y seguros a expensas de 
otros baratos y eficientes. Esto reduce los riesgos del proyecto, o lo que es lo 
mismo el costo del producto, pero a base de aumentar los riesgos financieros y 
disminuir los beneficios. Una buena organización desarrolla y repasa listas de 
verificación para validar el diseño del producto. Los principios clave de una 
correcta manufactura son: 
 Calidad perfecta a la primera: búsqueda de cero defectos, detección y 
solución de los problemas en su origen. 
 Minimización del despilfarro: eliminación de todas las actividades que no 
son de valor añadido y redes de seguridad, optimización del uso de los 
recursos escasos (capital, gente y espacio). 
 Mejora continua: reducción de costes, mejora de la calidad, aumento de la 
productividad y compartir la información. 
 Flexibilidad: producir rápidamente diferentes mezclas de gran variedad de 
productos, sin sacrificar la eficiencia debido a volúmenes menores de 
producción. 
 Construcción y mantenimiento de una relación a largo plazo con los 
proveedores tomando acuerdos para compartir el riesgo, los costes y la 
información. 
 
 
 
22 
 
Existen distintas metodologías que se pueden implementar en el diseño de un 
producto, en este caso prototipo, la que se escoja dependerá del tipo de producto, 
proceso base, costo, área, etc. A continuación se describen algunas metodologías: 
 
a) Metodología de Buenas Prácticas de Manufactura Automatizada (GAMP, 
por sus siglas en inglés, Good Automated Manufacturing Practice), fue 
desarrolladapor la Sociedad Internacional de Ingeniería Farmacéutica (ISPE, 
por sus siglas en inglés, International Society for Pharmaceutical Engineering) 
[16-17]. La Figura 1.10 muestra el diagrama típico de la metodología GAMP. 
 
 
 
Figura 1.10. Metodología GAMP-5 (ISPE). 
 
La ISPE es una sociedad de afiliación para profesionales que intervienen en la 
fabricación de productos farmacéuticos y afines. La ISPE, que ahora cuenta 
con 22,000 miembros en 90 países en todo el mundo, trabaja para mantener 
informados a los profesionales de la industria farmacéutica, sobre las últimas 
tendencias tecnológicas y regulatorias que se están produciendo en el 
mercado. Los miembros del núcleo ISPE son profesionales farmacéuticos que 
utilizan el conocimiento experto para crear alta calidad, soluciones rentables y 
 
 
23 
 
Buenas Prácticas de Manufactura (GMP, por sus siglas en inglés, Good 
Manufacturing Practices). La metodología GAMP está basada en la GMP que 
está definida por la Organización Mundial de la Salud (WHO, por sus siglas en 
inglés, World Health Organization) como “La parte de la garantía de calidad 
que asegura que los productos son consistentemente producidos y 
controlados con las normas de calidad apropiadas para el uso previsto y como 
lo requiere la autorización de comercialización”. 
 
b) Metodología de Diseño de Prototipos por Especificaciones y 
Validaciones (DPEV por sus siglas en inglés) busca establecer todas las 
especificaciones en las diferentes etapas del desarrollo del prototipo, desde la 
concepción de la idea, hasta la construcción del prototipo, para lo cual se 
dispone de una serie de métodos auxiliares que apoyan a determinar los 
requerimientos para cada etapa [18]. En la Figura 1.11 se muestra un 
esquema típico de esta metodología. 
 
 
Figura 1.11. Metodología DPEV. 
 
c) Planeación Avanzada de la Calidad de un Producto- (APQP por sus siglas 
en inglés) es una metodología analítica usada para asegurar que problemas 
potenciales se han considerado y abordado a través del proceso de desarrollo 
 
 
24 
 
del producto y proceso. El resultado más visible es la documentación de 
conocimientos en forma colectiva. Junto con el método AMEF (Análisis de 
Modo, Efecto y Falla) son utilizados para agrupar la experiencia y el 
conocimiento colectivo, además de las prevenciones del área de Diseño a 
detalle del electrolizador, dirigido hacia la consecución del aseguramiento de 
la Calidad, que mediante un análisis sistemático permite evaluar, desde la fase 
de diseño de un producto, servicio o proceso, la probabilidad de ocurrencia de 
un fallo, la gravedad del mismo y la posibilidad de su detección. Este método 
es aplicado para encontrar posibles fallas (evaluación de riesgos) que puedan 
existir en el momento de diseñar y en los procesos de manufactura del 
electrolizador, precisamente para evitar riesgos de cambios necesarios e 
importantes que se deban hacer en un momento dado en el proceso de 
obtención del producto [19-20]. 
 
La APQP es la Planeación Avanzada de la Calidad de un Producto, la figura 
1.12 muestra un esquema de las etapas que contempla: 
 
 
Figura 1.12. Esquema de la planeación de calidad un producto. 
 
 
25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DEL 
ELECTROLIZADOR Y LA CELDA DE COMBUSTIBLE, DATOS DE 
CONSTRUCCIÓN, TEORÍA BÁSICA Y ESTRATEGIA DE MODELADO Y 
CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES DE LOS ELEMENTOS QUE LOS 
CONSTITUYEN. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
26 
 
CAPÍTULO 2 
 
2.1 DISEÑO DEL ELECTROLIZADOR 
 
Este apartado da una breve explicación de la metodología de Diseño de Prototipos 
por Especificaciones y Validaciones, (DPEV) la cual se utilizó para el diseño y 
construcción de los 10 prototipos electrolizador-celda de combustible y 1 stack 
(electrolizador de doble ensamble) [11]. Se utilizó esta metodología ya que se 
puede adaptar al diseño requerido para el desarrollo en serie de prototipos. 
 
a) Metodología GAMP 
La GAMP como se mencionó en el capítulo anterior fue desarrollada por la 
Sociedad Internacional de Ingeniería Farmacéutica, está basada en la GMP y 
definida por la Organización Mundial de la Salud como “La parte de la garantía de 
calidad que asegura que los productos son consistentemente producidos y 
controlados con las normas de calidad apropiadas para el uso previsto y como lo 
requiere la autorización de comercialización” [7, 16, 17], ver figura 2.1. 
 
 
Metodología por Jorge Luis Corona 
Figura 2.1. Diagrama de la metodología GAMP-5 (ISPE). 
 
 
27 
 
b) Metodología DPEV 
La DPEV busca establecer todas las especificaciones en las diferentes etapas del 
desarrollo de un prototipo, desde la concepción de la idea, hasta la construcción 
del prototipo, para lo cual se dispone de una serie de métodos auxiliares que 
apoyan a determinar los requerimientos para cada etapa. Después de haber 
construido el prototipo, la metodología DPEV establece un proceso de validación 
para cada etapa de especificaciones, cada etapa de validaciones se interrelaciona 
con una de las etapas de especificaciones, con la finalidad de verificar y aprobar el 
diseño y construcción de cada parámetro que haya sido especificado; para apoyar 
a cada etapa de validación, se recurre a pruebas y métodos de inspección que 
puedan aprobar la operación del prototipo, su instalación en un sistema, los 
procesos de manufactura con los que se efectuaron sus componentes y el 
apropiado ensamble del conjunto. Las pruebas y métodos de inspección deben ser 
propuestos de acuerdo a las características, propiedades y/o funciones que deban 
ser evaluadas, ver figura 2.2. 
 
 
Características, propiedades y funciones por Jorge Luis Corona 
Figura 2.2. Metodología DPEV. 
Árbol de 
objetivos
 
 
Especificaciones 
de funcionamiento 
Validación de 
operación 
Pruebas de 
operación 
Análisis de 
funciones 
Especificaciones 
de diseño 
Validación de 
instalación 
Revisión de 
conexiones 
Diagrama 
morfológico 
Especificaciones 
de manufactura 
Validación de 
manufactura 
Inspección visual 
y ajustes 
Poka-Yoke y seguridad 
industrial 
Especificaciones 
de ensambles 
Validación de 
ensambles 
Pruebas propuestas 
y/o normas 
Construcción 
del prototipo 
 
 
28 
 
Como otro paso se deben seguir las “especificaciones de funcionamiento” ya que 
estas consisten en identificar y clarificar los objetivos que debe cumplir el 
prototipo, definir los objetivos secundarios para el cumplimiento de los objetivos 
primarios y las relaciones existentes entre ellos. Para este prototipo se plantearon 
los objetivos mostrados en la Tabla 2.1. 
 
Tabla 2.1. Función objetivo y objetivos secundarios del prototipo. 
FUNCIÓN OBJETIVO 
EXTRACCIÓN DE HIDRÓGENO 
POR MEDIO DE ELECTRÓLISIS 
 
Objetivo secundario 1 
 
Libre de derrames 
 
Objetivo secundario 2 
 
Seguridad en su manejo 
 
Objetivo secundario 3 
 
Máxima extracción de hidrógeno 
 
Objetivo secundario 4 
 
Máxima intensidad de corriente 
 
Objetivo secundario 5 
 
Operación entre 1.5 V y 2 V 
 
Objetivo secundario 6 
 
Fácil ensamble 
 
Objetivo secundario 7 
 
Fácil instalación 
 
Objetivo secundario 8 
 
Fácil transportación 
 
Objetivo secundario 9 
 
Resistente a la corrosión 
 
Objetivo secundario 10 
 
Resistente a temperaturas de 100 °C 
 
Tabla de objetivos por Jorge Luis Corona 
 
 
29 
 
Para poder determinar estos objetivos hay que recurrir a un método auxiliar que 
recibe el nombre de árbol de objetivos, dicho método establece 3 pasos 
fundamentales, como primer paso se requiere de la preparación de una lista de 
objetivos, los cuales se proponen a partir del planteamiento de la función objetivo 
principal que deberá cumplir el prototipo; como segundo paso se ordena la lista en 
conjuntos de objetivos de mayor y menor nivel, los objetivos principalesy los 
objetivos secundarios de la lista ampliada se agrupan aproximadamente en niveles 
jerárquicos; finalmente el tercer paso consiste en dibujar un diagrama del árbol de 
objetivos que muestre las relaciones jerárquicas e interconexiones, las ramas del 
árbol representan las relaciones que sugieren medios para alcanzar objetivos. 
 
Ya que se tiene un listado de objetivos secundarios, se definen los conjuntos 
globales a los que irá asociado un objetivo principal por cada conjunto, así como 
los objetivos secundarios que deberán cumplirse para garantizar que se alcance el 
objetivo principal de cada conjunto. En la Tabla 2.2 se muestran los conjuntos 
globales para el prototipo así como los objetivos, principal y secundarios para cada 
uno de ellos [7]. 
 
Tabla 2.2 Conjuntos, agrupación y clasificación de objetivos. 
CONJUNTO 1 
Seguridad Objetivo primario 
Manejo Objetivo secundario 
Acabado Objetivo secundario 
Sin derrames Objetivo secundario 
Sin fugas Objetivo secundario 
 
 
 
 
30 
 
CONJUNTO 2 
Desempeño Objetivo primario 
Generación de H2 Objetivo secundario 
Termodinámica Objetivo secundario 
Cinética Objetivo secundario 
Temperatura Objetivo secundario 
Potencia Objetivo secundario 
Corriente(I) Objetivo secundario 
Tensión (E) Objetivo secundario 
Corrosión Objetivo secundario 
 
 
Tabla por Jorge Luis Corona 
 
CONJUNTO 3 
Facilidad Objetivo primario 
Transporte Objetivo secundario 
Tamaño Objetivo secundario 
Peso Objetivo secundario 
Caracterización Objetivo secundario 
Ensamble Objetivo secundario 
Instalación Objetivo secundario 
Conexión eléctrica Objetivo secundario 
Conexión de H2O Objetivo secundario 
Conexión de H2 Objetivo secundario 
Conexión de O2 Objetivo secundario 
 
 
31 
 
Finalmente se dibuja el diagrama del árbol de objetivos en el que se muestra la 
jerarquía de cada objetivo, que van de arriba hacia abajo, de mayor a menor nivel, 
y se muestra claramente la relación entre cada uno de los objetivos, a través de 
las ramas del árbol. En la Figura 2.3 se muestra el diagrama del árbol obtenido, en 
el cual se pueden apreciar los objetivos y sus respectivas jerarquías. 
 
Figura 2.3. Diagrama del árbol de Objetivos para el prototipo de un 
electrolizador tipo PEM. 
Figura por Jorge Luis Corona 
 
 
32 
 
Para determinar las “especificaciones de diseño” hay que recurrir al método de 
análisis de funciones, el cual establece las funciones requeridas y los límites del 
sistema para un nuevo diseño. El procedimiento consta de cinco pasos; en el 
primero de ellos se expresa la función general del diseño en términos de la 
conversión de entradas en salidas, la función global de la “caja negra” no debe ser 
limitada con la finalidad de ampliar los límites del sistema, la Figura 2.4 muestra el 
modelo de la caja negra para este concepto. 
 
 
 
Figura 2.4. Modelo de la caja negra del electrolizador. 
 
El segundo paso consiste en descomponer la función general en un conjunto de 
funciones secundarias esenciales, estas funciones secundarias comprenden todas 
las tareas que deben de realizarse dentro de la “caja negra”, ver la Tabla 2.3. 
 
Tabla 2.3. Lista de entradas, salidas y productos por etapa. 
 ETAPA 1 ETAPA 2 
ENTRADAS SALIDAS ENTRADAS SALIDAS 
 
AGUA 
POTENCIAL 
ELÉCTRICO 
ELECTRONES 
PROTONES 
 
OXÍGENO 
(PRODUCTO) 
 
 
ELECTRONES 
PROTONES 
 
 
HIDRÓGENO 
(PRODUCTO) 
Tabla por Jorge Luis Corona 
 
H2O 
PE 
H2 
O2 
C 
ELECTROLISIS 
ENTRADAS FUNCIÓN SALIDAS 
Figura por Jorge Luis Corona 
 
 
33 
 
El tercer paso consiste en dibujar un diagrama de bloques que muestre las 
interacciones entre las funciones secundarias, la “caja negra” se hace 
“transparente”, de tal manera que se clarifiquen las funciones secundarias y sus 
interconexiones, enseguida el cuarto paso consiste en dibujar los límites del 
sistema que son los que definen los límites funcionales para el prototipo a diseñar; 
esto se indica en el dibujo por medio de un cuadro punteado que encierra las 
funciones propias del sistema, tal como se representa en la Figura 2.5. 
 
 
Imagen por Jorge Luis Corona 
Figura 2.5. Diagrama de funciones para un electrolizador. 
 
Finalmente en el quinto paso se buscan los componentes apropiados para realizar 
las funciones secundarias y sus interacciones. Para el establecimiento de las 
especificaciones de diseño de este prototipo se establece el modelo de “caja 
negra”, donde H2O representa el agua desionizada requerida para el proceso de 
electrólisis, PE representa un potencial eléctrico, H2 hidrógeno producido, O2 
oxígeno producido y C las pérdidas por calentamiento, quedando establecida una 
lista de componentes que se puede apreciar en la Tabla 2.4 [12]. 
 
 
TRANSPORTE
PROTONES 
OXIDACIÓN REDUCCIÓN 
EVOLUCIÓN 
DE OXíGENO 
EVOLUCIÓN DE 
HIDRÓGENO 
AGUA AGUA 
TRANSPORTE 
ELECTRONES 
 
 
34 
 
Tabla 2.4. Lista de componentes por función y para ensamble. 
 
FUNCIÓN 
 
OXIDACIÓN 
 
TRANSPORTE 
DE PROTONES 
 
REDUCCIÓN 
 
ENSAMBLES 
 
C 
o 
m 
p 
o 
n 
e 
n 
t 
e 
s 
 
 
-Distribuidor de 
Corriente 
 
-Difusor de gases 
 
-Electrodo 
anódico 
 
 
 
 
-Membrana de 
intercambio 
protónico 
 
 
-Distribuidor 
de corriente 
 
-Difusor de 
gases 
 
-Electrodo 
Catódico 
-Carcasa 
 
-Sellos 
 
-Tornillos 
 
-Tuercas 
 
-Rondanas 
 
-Conectores 
rápidos 
 Tabla por Jorge Luis Corona 
 
Haciendo uso del diagrama mencionado anteriormente, Figura 2.2 Metodología 
DPEV, como primer paso se realizarán las especificaciones de funcionamiento, 
diseño y materiales con los que puede ser fabricado cada uno de los componentes 
de 10 prototipos; a continuación se presenta el análisis de los procesos de 
manufactura considerados para la construcción de los electrolizadores y la celda 
de combustible. 
 
2.1.1 CARCASAS 
 
En esta parte se utilizó la metodología DPEV considerando las especificaciones de 
funcionamiento, diseño, manufactura y ensamble. Para la carcasa del 
electrolizador, se emplearon placas de acrílico, con el fin de evitar la oxidación, 
soportar presiones y temperaturas moderadas, resistencia mecánica y bajo costo, 
obteniéndose mayores ventajas, lo cual permite armar y desarmar el sistema 
 
 
35 
 
cuando sea necesario sin alterar la estructura del equipo. El diseño de la carcasa 
se hizo con ayuda del software Auto-Cad. Su maquilado se realizó en una 
fresadora de control numérico. Las dimensiones manejadas se ajustaron al diseño 
y tamaño requerido por los sistemas. Se manejó una cavidad de 2.5 cm3 para 
garantizar el suministro de agua a los electrodos. Se diseñó una salida para los 
gases en la parte superior, que facilita su extracción, así mismo una entrada en la 
parte lateral para recirculación de agua, la carcasa del electrolizador se construyó 
tomando en cuenta diferentes modelos, ya que la forma de la cavidad donde 
queda confinada el agua en el componente era de forma cuadrada en anteriores 
diseños, ver figura 2.6, teniendo presente que la salida de los gases era en medio 
a la mitad del cuadrado, pero esto tenía algunas fallas y una de ellas es que el gas 
producido, generaba una burbuja dentro de la cavidad perdiendo área activa. 
 
Diseños por Dra. Rosa de Guadalupe González H. 
Figura 2.6. Carcasas del electrolizador usado en experimentos anteriores. 
 
El diseño mejorado fue con la cavidad de forma romboide, por la parte superior se 
hizo el barreno para la salida de los gases y el de la alimentación de agua quedo 
en la parte inferior del rombo para asegurar la buena distribución del líquido en 
toda la superficie activa, se hicieron dos carcasas por cada prototipo, figura 2.7, se 
maquilaron utilizando materiales disponibles en el laboratorio y de producción 
nacional.36 
 
 
 Figura 2.7. Carcasa optimizada del electrolizador. 
 
 
Las mallas distribuidoras de corriente fueron de acero inoxidable de 1 mm de 
espesor con perforaciones circulares de 0.5 mm. Se utilizan dos mallas para 
formar un electrolizador, una para cada electrodo. Estas tienen la función de 
soporte de los electrodos y distribuyen los electrones de la corriente directa (CD) 
por toda la superficie del catalizador, las perforaciones que tienen se utilizan para 
que los gases recién formados puedan ser fácilmente liberados hacia los tanques 
de almacenamiento. 
 
Estas mallas se hicieron con forma romboide para su correcta integración, ya que 
es ahí donde se realiza la distribución de corriente (electrones), ver figura 2.8. 
 
 
Figura 2.8. Malla distribuidora de corriente. 
 
 
37 
 
Los sellos de Silicón de 0.2 mm de espesor (figura 2.9 a), tienen la función de 
aislantes entre el ánodo y cátodo, sirven para confinar el agua en el área reactiva 
y junto con la periferia de la membrana de intercambio protónico, evitar cualquier 
tipo de fuga, ver figura 2.9b. 
 
Figura 2.9. Sellos de Silicón a) material y b) diseño. 
 
Estos sellos junto con la membrana de intercambio protónico evitan fugas de 
gases y agua. Se puede observar que la forma del sello es romboide como la 
carcasa y la malla, para que embonen adecuadamente y cumplan su función, 
como la establece la metodología DPEV en las especificaciones de ensamble 
cumpliendo la parte de seguridad. Los sellos y las mallas distribuidoras se 
maquilaron en una cortadora laser de CO2 tipo goolden, ver figura 2.10. 
 
Figura 2.10. Cortadora laser de CO2 tipo goolden. 
 
 
38 
 
Según las etapas de la metodología DPEV se presentan las especificaciones de 
funcionamiento, manufactura y ensamble del MEA. 
 
2.1.2 ENSAMBLE MEMBRANA ELECTRODOS 
 
El ensamble membrana-electrodos (MEA, por sus siglas en inglés Membrane 
Electrode Assembly), es el componente principal del electrolizador, ya que es aquí 
donde el hidrógeno y el oxígeno se forman electroquímicamente a partir de agua y 
una corriente eléctrica. El MEA se constituye de una estructura de 5 capas en 
cuyo centro se encuentra una membrana de intercambio protónico que actúa 
como electrolito. En cada lado de la membrana se conforman los electrodos 
(ánodo y cátodo) integrados por un difusor de gases y las películas catalíticas 
aplicadas sobre la membrana. Se preparó el MEA con el procedimiento que se 
describe a continuación [13]. 
 
Se llevó a cabo el proceso de activación de la membrana Nafion
®
 115 (125 µm de 
espesor) antes de depositar sobre ellas las tintas catalíticas. Esta activación se 
realizó mediante diferentes baños en soluciones químicas a una temperatura 
constante, ver figura 2.11. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.11. Sistema para la activación de las membranas. 
 
 
39 
 
1. Se cortaron 10 fragmentos de membrana Nafion
®
 115 de 3 x 3 cm. 
2. En un cristalizador se agregaron 200 ml de H2O2 (al 3% en volumen) y se 
colocaron las membranas durante 1 hora a 60°C sin ebullición. Este primer 
proceso es para limpiar la superficie de la membrana y eliminar residuos de 
grasa y polvo. 
3. Se eliminó la solución de peróxido y se agregan 200 ml de agua 
desionizada, se mantuvieron las membranas en este baño durante 1 hora a 
60°C sin ebullición, para eliminar el exceso de peróxido que quedo. 
4. Se eliminó el agua desionizada y se agregaron 200 ml de H2SO4 2M, se 
mantuvieron las membranas durante 1 hora a 60°C sin ebullición. Este 
procedimiento es para protonar las membranas. 
5. Se eliminó la solución de ácido sulfúrico y se agregaron 200 ml de agua 
desionizada, se mantuvieron las membranas 1 hora a 60°C sin ebullición 
para eliminar el exceso de ácido sulfúrico. 
6. Se colocaron las membranas activadas en un cristalizador con agua 
desionizada a temperatura ambiente para mantenerlas hidratadas, se debe 
cambiar el agua cada 15 días en lo que se utilizan. 
 
Preparación de las tintas catalíticas: Los ensambles membrana-electrodos MEA, 
se prepararon utilizando las membranas Nafion® 115 activadas. 
Se probó un MEA con catalizadores comerciales, el área geométrica de los 
electrodos fue de 9 cm2. El cátodo se preparó utilizando una tinta que contiene 1 
mg/cm2 de Pt-Etek al 20% en peso, 40 µl de Nafion® líquido, 100 µl de agua como 
dispersante y 700 µl de etanol grado cromatográfico como diluyente. Para el 
ánodo la tinta se preparó con 7.31 mg de óxido de iridio, 21.9 mg de óxido de 
rutenio, 60 µl de nafion y 900 µl de alcohol. Las tintas catalíticas se prepararon de 
la siguiente manera: 
 
 
40 
 
Se pesó en un vial la cantidad de catalizador establecida, en una balanza analítica 
SHIMADZU, se agregó el Nafion® líquido y el alcohol etílico. Todas las tintas se 
colocaron en un baño de ultrasonido, (BRANSON 2210), hasta obtener una 
suspensión homogénea, ver figura 2.12. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.12. Material para la preparación de las tintas catalíticas. 
 
Para el pintado del cátodo y el ánodo se utilizó un aerógrafo con una capacidad de 
1 ml y un compresor Brand Design con presión de aspersión de 6 psi, ver figura 
2.13. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.13. Aerógrafo y compresor para la preparación del MEA. 
 
 
 
41 
 
La impregnación de la tinta catalítica se llevó a cabo sobre la membrana Nafion® 
115 por un método de aspersión manual, figura 2.14. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.14. Impregnación de tinta sobre la membrana Nafion. 
 
Para la realización del ensamble membrana-electrodos (MEA), se requiere unir los 
difusores de gases a la membrana en cada uno de sus lados, esto es para que 
exista un contacto permanente entre los difusores de gases y las tintas catalíticas 
aplicadas sobre la membrana. Se llevó al Cinvestav junto con un corte de tela de 
carbón de las mismas medidas del área activa, se realizó un prensado en caliente, 
con una fuerza de 5 toneladas en un tiempo de 5 segundos y luego se baja la 
fuerza a 200 kg hasta completar 2 minutos teniendo control de temperatura de 120 
°C, ver figura 2.15. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.15. Proceso de prensado en caliente de los MEA. 
 
 
42 
 
La temperatura de transición vítrea del polímero Nafion es 120 °C, a esta 
temperatura se relajan los enlaces estructurales de la membrana (proceso 
elástico) y se produce una buena unión microestructural entre la membrana y la 
tinta catalítica, permitiendo que los difusores de gases se integren para conformar 
los electrodos, ánodo y cátodo, es importante cuidar que la temperatura no 
alcance los 150°C ya que se rompen los enlaces atómicos de la membrana y se 
inicia un proceso de descomposición de la misma. 
 
 
2.1.3 CURVA CARACTERÍSTICA 
 
Siguiendo con la metodología de manufactura DPEV, en esta parte se establece la 
validación de operación, instalación, manufactura y ensambles, para determinar la 
correcta estructura y desempeño de los prototipos integrados, aquí se integran los 
objetivos secundarios ligados a los principales que en este caso son los del 
conjunto 1, 2 y 3 de la Tabla 2.2, lo anterior se resume en la cantidad de hidrógeno 
producido a una potencia eléctrica establecida, con seguridad y eficiencia. Se 
debe cuidar el ensamblado y que no existan fugas dentro del conjunto 1, 
determinar la generación de hidrógeno (temperatura, voltaje y corriente aplicada) 
para el conjunto 2 y analizar el tamaño, peso y conexiones en el conjunto 3. Se 
integra el diagrama de árbol de la figura 2.3 para analizar la seguridad, el 
desempeño y la facilidad de los prototipos. 
 
Para obtener la curva voltaje-corriente característica del desempeño de los 
electrolizadores. Se utilizó un potenciostato/galvanostato 263A PAR (por sus 
siglas en inglés Princenton Aplied Research), cuya respuesta fue analizada en unaPC con un software EG&G Princenton Aplied Research, modelo 270/250 
Research Electrochemistry Software 4.3, ver figura 2.16. 
 
 
 
43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.16. Potenciostato / galvanostato 263A PAR. 
 
Se utilizó la técnica de cronopotenciometría, con modo galvanostático del equipo, 
esta técnica se llevó a cabo realizando pulsos de corriente de 3 minutos, desde 10 
mA hasta 300 mA, permitiendo al sistema llegar a un potencial constante. Se 
registró la última lectura de potencial. Para establecer los parámetros se consideró 
lo siguiente: 
 
A. Una corriente en rango de 10 en 300 mA se establece de acuerdo a cómo 
reaccione el sistema o ensamble caracterizado (MEA). El potencial que se 
registra no debe exceder de 5V, para evitar daños al equipo y a los 
componentes del electrolizador. 
 
B. Se fija el tiempo del pulso de corriente, considerando que se obtiene un 
potencial constante durante el último minuto, lo que indica que el sistema es 
estable, si no se debe aplicar un tiempo mayor. 
 
C. Se van obteniendo lecturas puntuales de voltaje a cada pulso de corriente 
aplicado. 
 
 
 
44 
 
Este procedimiento se puede hacer con una fuente de potencia, ver figura 2.17, 
esto es una alternativa para los laboratorios que no cuentan con un 
potenciostato/galvanostato, las mediciones son comparativas. 
 
Figura 2.17. Sistema de caracterización del electrolizador con una fuente de 
potencia. 
 
 
2.2 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO 
 
Para cada sistema se aplica la metodología DPEV. Considerando que el 
hidrógeno tiene un alto contenido energético por unidad de peso 
(aproximadamente tres veces más que la gasolina) pero una muy baja densidad 
energética por unidad de volumen (aproximadamente cuatro veces menor que el 
petróleo), causa que su almacenamiento sea complicado, especialmente dentro de 
las limitaciones de tamaño donde se guardará. 
 
La finalidad del sistema de almacenamiento de gases diseñado, es la de alojar 
suficientes gases (hidrógeno y oxígeno) para después alimentarlo a una celda de 
combustible de baja potencia. Siguiendo las especificaciones de funcionamiento y 
diseño establecido en la metodología DPEV, los tanques de almacenamiento se 
 
 
45 
 
hicieron de acrílico, son de forma cilíndrica y se colocaron dos, uno sobre otro, 
teniendo salida de agua, entrada de gas y una manguera en el tanque inferior que 
interconecta los dos tanques para que se lleve a cabo el desplazamiento de agua, 
(se consideraron 10 sistemas de almacenamiento) ver figura 2.18. 
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.18. Sistema de Almacenamiento. 
 
A los tanques inferiores se les pone agua y conforme van entrando los gases el 
agua sube por la manguera ubicada en el centro de los dos tanques y se puede 
apreciar el gas generado en el recipiente de abajo que se van llenando con el 
mismo, mientras que los tanques superiores se van cargando de agua. 
 
 
2.3 CELDA DE COMBUSTIBLE 
 
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de 
energía, está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos 
consumidos; es decir, produce electricidad por medio de hidrógeno y oxígeno. 
 
 
46 
 
En este apartado se describe el desarrollo de los prototipos de celdas de 
combustible (CC) siguiendo la metodología DPEV, considerando como en el 
electrolizador las especificaciones de funcionamiento, diseño, manufactura y 
ensamble. 
 
2.3.1 DISEÑO 
 
El diseño de las celdas de combustible ha cambiado con el tiempo, se han 
modificado sus componentes para disminuir costos y aumentar su desempeño. Su 
funcionamiento, eficiencia y durabilidad depende de los materiales usados para 
este fin, siendo acrílico, grafito y varios materiales compuestos los que son 
comúnmente usados. 
 
Las carcasas requieren ser diseñadas y construidas de materiales que presenten 
las siguientes características: 
 Proporcionar el camino de flujo de gases para transporte y distribución. 
 Separar los gases; el hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo, para 
evitar su mezcla. 
 Remover el agua producida en el cátodo, evitando el anegado de la celda. 
 Ser resistente a la corrosión en condiciones de diferentes temperaturas, 
permitida por la membrana con conducción protónica. 
 
Para realizar el prototipo de este trabajo, el diseño de la carcasa de la celda de 
combustible se realizó utilizando el software Auto-cad, ver figura 2.19. Se 
maquilaron 10 carcasas utilizando una fresadora de control numérico, los 
empaques y membranas se obtuvieron con un cortador láser. Las celdas de 
combustible se han construido con placas de acrílico con campos de flujo para 
gases en el ánodo y el cátodo en forma de canales rectos transversales, las 
 
 
47 
 
placas tienen dos barrenos para la entrada y salida de gases y cuatro barrenos 
más para el soporte con tornillos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.19. Planos de la carcasa celda de combustible. 
 
Los sellos de silicona sirven para confinar los gases en el área reactiva y junto con 
la periferia de la membrana, evitan cualquier tipo de fuga, ver figura 2.20. Se 
cortaron cuadros de silicona de forma cuadrada de 8 x 8 cm, realizando los 
barrenos para el tránsito de los gases, y tornillos, además se eliminó el área 
central de 4 x 4 cm para que coincidiera con las carcasas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.20. Diseño del sello de silicón. 
 
Las placas colectoras de corriente, fueron manufacturadas de malla de acero 
inoxidable con perforaciones de 0.05 mm, ya que estarán en contacto con agua y 
medio ácido, y así este material puede cumplir su función de conducción eléctrica 
 
 
48 
 
sin generar óxidos u otros contaminantes, ver figura 2.21. Tiene forma cuadrada 
del tamaño del área activa con unas pestañas rectangulares que sobresalen del 
acrílico para el contacto eléctrico con los equipos. 
 
 
 
 1 cm 
 
 4 cm 
 3 cm 
 
 4 cm 
Figura 2.21. Diseño malla colectora de corriente. 
 
2.3.2 ENSAMBLE MEMBRANA ELECTRODOS 
 
 
Electrodos: Los electrodos de las celdas de combustible son elementos con una 
estructura porosa que favorece el transporte de masa de los reactivos y promueve 
los intercambios electroquímicos esenciales para acelerar las reacciones en la 
interfaz electrodo-electrolito. Los electrodos se componen de los siguientes 
elementos: 
 
 SOPORTE: tela o lámina de carbón, el cual sirve también de contacto 
eléctrico. 
 CAPA CATALÍTICA: formada por una película de catalizador nanométrico. 
 
Para las celdas de combustible diseñadas e integradas en este trabajo se 
utilizaron electrodos comerciales ECCM-10%. Se cortaron cuadrados de 3 x 3 cm 
de área activa, ver figura 2.22. Para su correcta integración con las membranas 
nafion
®
 115 activadas se siguió el procedimiento descrito en la sección del 
 
 
49 
 
electrolizador, solo que para el prensado en caliente se utilizaron 11 kgfcm-2 por 2 
min a 120 °C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.22. Electrodos de Tela de carbón con una carga de 10% de Pt. 
 
2.3.3 CARACTERIZACIÓN 
 
Una vez integrada la celda, y siguiendo la metodología DPEV se establecieron las 
validaciones de operación, instalación, manufactura y ensambles, definiendo los 
objetivos secundarios para obtener un buen desempeño de cada componente. En 
el desempeño de una CC es importante considerar los flujos, presiones y 
temperaturas de los gases alimentados, en este caso por ser un prototipo de baja 
capacidad las condiciones de temperatura y presión son las ambientales. Se 
conectan mangueras entre los conectores superiores de los tanques de 
almacenamiento y los conectores laterales de las celdas de combustible 
verificando que los gases almacenados coincidan con la alimentación de la celda. 
Los cables eléctricos se conectan a las placas colectoras decorriente y se 
observa que no existan fugas de líquidos ni gases. En esta parte se sigue la 
metodología DPEV donde se analizan las pruebas de operación, conexiones, 
inspección visual y ajustes, así como pruebas de desempeño. 
 
 
50 
 
Se obtiene la curva de desempeño i vs v (corriente vs voltaje) de una celda de 
combustible para determinar su punto óptimo de desempeño y su potencia 
máxima. El sistema debe conectarse como se muestra en la figura 2.23. 
 
Figura 2.23. Conexión para caracterización celda de combustible. 
 
Para obtener esta curva de desempeño es importante conectar la caja de 
resistencias y un voltímetro en paralelo con la celda de combustible, se debe 
alimentar hidrógeno por unos segundos para que el voltímetro marque un voltaje a 
circuito abierto (VCA) estable cercano a 1 V, ya que es una sola celda y este es el 
mayor voltaje que una monocelda con electrodos de platino puede dar. Una vez 
teniendo este voltaje se empezaran a variar las resistencias (VCA, 200Ω, 100Ω, 
50Ω, 10Ω, 5Ω, 3Ω, 1Ω y 0 Ω) a este último valor a resistencia cero se le denomina 
corriente a corto circuito y registra la mayor corriente que el sistema puede 
proporcionar (CCC) se deben registrar los valores de voltaje e intensidad de 
corriente a cada resistencia. Es muy importante que cada vez que se haga una 
 
 
51 
 
lectura, se regrese la caja de resistencia a VCA para alcanzar de nuevo el máximo 
voltaje y poder hacer la siguiente lectura. 
 
La caracterización consistió en correr pruebas de funcionamiento alimentando los 
gases al prototipo en el ánodo y en el cátodo. En el ánodo las moléculas de 
hidrógeno pierden sus electrones y forman protones, un proceso que es posible 
por medio de catalizadores de platino, mientras que los electrones se dirigen al 
cátodo a través de un circuito externo que produce electricidad al pasar por un 
motor (u otro mecanismo eléctrico), los iones de hidrógeno pasan al cátodo por la 
membrana de intercambio protónico, donde se unen con las moléculas de oxígeno 
y electrones para producir agua. De esta manera, se utiliza un proceso natural de 
producción de agua por medio de la oxigenación de hidrógeno, para producir 
electricidad y calor. 
 
 
2.4 INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO FINAL 
 
En la parte de integración completa del prototipo la metodología DPEV se 
establecen las pruebas de operación, conexión, inspección y ajustes. Se integró 
cada componente de los prototipos que sirven como sistemas de demostración y 
también se puede utilizar en prácticas de laboratorio. El electrolizador se integró a 
un sistema fotovoltaico o a una fuente de potencia, estos son dispositivos que 
proporcionan la energía eléctrica para que genere hidrógeno y oxígeno. Estos 
gases fueron almacenados a condiciones ambientales, cuidando que no existieran 
fugas. Finalmente los gases son alimentados a una celda de combustible la cual 
genera electricidad para mover un motor de baja potencia, como residuos solo se 
produce agua y calor, ver figura 2.24. Se integraron 10 prototipos. 
 
 
 
 
52 
 
 
Figura 2.24. Integración del sistema de demostración solar hidrógeno. 
 
 
2.5 ESCALAMIENTO DE UN ELECTROLIZADOR DE DOS ENSAMBLES 
 
Tomando como base el diseño del electrolizador de un ensamble, se escaló y 
optimizó un stack (electrolizador con doble ensamble) para generar más hidrógeno 
y de igual forma se siguió la metodología DPEV. 
 
 
2.5.1 DISEÑO 
 
Se han probado distintos arreglos para el diseño de electrolizadores para la 
correcta distribución de agua y buen desalojo de los gases. Analizando las 
especificaciones de diseño, manufactura y de desempeño según se establece en 
la metodología DPEV, se realizó un mejor diseño. Uno de los parámetro que se ha 
estudiado es la geometría del MEA, inicialmente se utilizaba el arreglo rectangular 
ó cuadrangular, pero se observó que las esquinas generan una caída de presión 
en el flujo del agua, además las burbujas de gases generadas se estancan 
generando una baja eficiencia en el electrolizador. Por lo tanto se optimizó el 
 
 
53 
 
diseño geométrico determinando que una forma circular es la mejor, ya que se 
evitan caídas de presión y se mejora el desalojo de los gases. 
 
Cuando un arreglo se diseña para una aplicación específica, se necesita 
considerar algunas variables, tales como potencia requerida, voltaje, densidad de 
corriente y eficiencia deseada, según se establece en la función objetivos de la 
metodología DPEV. 
 
La figura 2.25 muestra la forma de la carcasa del electrolizador con las medidas 
establecidas: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.25. Diseño de la carcasa. 
 
2.5.2 MAQUINADO 
 
Se utilizó acrílico de 5 mm de espesor y se maquinó en una fresadora numérica 
respetando las dimensiones establecidas en el diseño, se hicieron dos carcasas 
laterales y una central maquinada de ambos lados ya que funciona como plato 
bipolar, de un lado es ánodo y del otro cátodo, ver figura 2.26. 
 
 
54 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.26. Maquinado de la carcasa del electrolizador de acrílico. 
 
Mallas distribuidoras de corriente 
El MEA es soportado entre dos mallas distribuidoras de corriente, las cuales 
ayudan a tener un buen contacto eléctrico en toda la superficie de los electrodos y 
a tener un mejor desalojo de los gases generados. La figura 2.27 a y b muestra la 
geometría de las mallas, las cuales fueron de acero inoxidable con perforaciones 
de 0.05 mm. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.27 a y b. Forma de los distribuidores de corriente. 
a 
 
 
55 
 
Las placas de aluminio cumplen con la función de dar soporte y fijar los ensambles 
del stack, el material utilizado fue una solera de aluminio de 5 mm de espesor, ver 
figura 2.28. Se le realizaron barrenos para colocar tornillos y para integrar 
conexiones rápidas para la alimentación de agua y desalojo de los gases. 
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.28. Solera de aluminio. 
 
2.5.3 PREPARACIÓN DE ELECTRODOS 
 
Para la preparación de los electrodos se realizó el mismo procedimiento descrito 
en la sección 2.1.2, solo que se escaló la cantidad de catalizadores para cubrir el 
área de 38 cm2. Se prepararon dos suspensiones comúnmente denominadas 
“tintas catalíticas”, una anódica para llevar a cabo la oxidación del agua, y otra 
catódica para llevar a cabo la reducción de protones. Para este procedimiento 
primero se realizó la suspensión catódica que consistió en mezclar 1.2 mg cm-2 de 
platino etek al 10%, 40 μl cm-2 de Nafion líquido y 700 μl cm-2 de etanol grado 
cromatográfico, este último como diluyente. La suspensión se realizó en un tubo 
de centrifuga de 15 ml, el cual posteriormente pasó por un proceso de ultrasonido 
para mezclar homogéneamente las nanopartículas de platino en la suspensión, 
ver figura 2.29. De la misma manera se realizó la suspensión anódica, se 
mezclaron 1.44 mg cm-2 de óxido de rutenio, 1.65 mg cm-2 de óxido de iridio, 5 
 
 
56 
 
μl.cm-2 de Nafion líquido y 90 μl.cm-2 de etanol. Las cantidades utilizadas para 
elaborar estas suspensiones son las que han demostrado los mejores resultados 
en cuanto al desempeño del electrolizador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.29. Preparación de tinta catalítica por medio de ultrasonido. 
 
Las tintas se impregnaron a la membrana con las suspensiones electro catalíticas, 
un lado de la membrana se impregnó con la suspensión anódica, y el otro lado con 
la suspensión catódica, hay que indicar claramente que electrodo es cada lado de 
la membrana para su correcta integración. Para impregnar las suspensiones en la 
membrana se empleó un aerógrafo que permite el esparcimiento de la tinta de 
manera uniforme sobre la membrana, para no desperdiciar la suspensión de 
material electro catalítico es necesario un buen trabajo manual. 
 
Para la preparación de los sellos de silicón primeramente se trazasobre la silicona 
cuadros que cubren el tamaño de la carcasa, luego un circulo en el centro del 
cuadrado de 38 cm2 igual al área pintada con las tintas catalíticas; lo que forma 
parte de la membrana pintada y por último los orificios para los tornillos y que todo 
el sistema integrado quede firme y sin fugas. 
 
 
 
 
57 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESULTADOS DEL DISEÑO Y LA CARACTERIZACIÓN DE LOS 
PROTOTIPOS ELECTROLIZADOR Y CELDA DE COMBUSTIBLE, 
EL METODO UTILIZADO PARA SU ANÁLISIS Y 
LA DISCUSIÓN DE RESULTADOS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
58 
 
CAPÍTULO 3 
 
3.1 ELECTROLIZADOR 
 
Se han utilizado diversas formas de integración para los electrolizadores y celdas 
de combustible pero ciertamente no existe una metodología que indique desde el 
diseño, manufactura y caracterización de los mismos. Con el fin de mejorar la 
integración y eficiencia de los prototipos se eligió la metodología DPEV ya que se 
adecua a los requerimientos de este tipo de sistemas, esta metodología se 
describe de manera general en la figura 2.2. 
 
Siguiendo la Metodología DPEV en este capítulo se establece la validación de los 
ensambles, diseño, manufactura, instalación y operación de los electrolizadores y 
celdas de combustible. Se puede establecer el modelo de caja negra en cada 
sistema donde se especifican entradas, función y salidas de cada prototipo. 
También se puede analizar el diagrama de árbol donde se muestra la seguridad, 
desempeño y facilidad de cada sistema. 
 
Primeramente se evaluó la manufactura de las mallas distribuidoras de corriente 
del electrolizador, en la figura 3.1 se observa su forma romboide adaptada a la 
carcasa y tiene una pestaña para la conexión eléctrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.1. Mallas distribuidoras de corriente. 
 
 
59 
 
La figura 3.2 muestra los sellos de silicón siguiendo el diseño establecido en Auto-
Cad, con los cortes y orificios correspondientes para los tornillos y el MEA, 
conservando la forma de la carcasa y las mallas. 
 
 
 
 
 
Figura 3.2. Sellos de silicón. 
 
El MEA se soporta en un par de mallas distribuidoras de corriente que además 
ayudan a una efectiva distribución de los gases producidos a lo largo de la 
superficie de los electrodos. Los sellos sirven para confinar el agua en el área 
reactiva y junto con la periferia de la membrana de intercambio protónico evitan 
cualquier tipo de fuga ya sea de agua o de gases, regularmente son de silicón ó 
algún plástico resistente al agua y a temperaturas de hasta 80°C. Las carcasas ó 
platos finales, dan soporte a todos los componentes, son resistentes y ayudan a la 
recirculación del agua y al desalojo correcto de los gases, ver figura 3.3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 3.3. Componentes del Electrolizador PEM. 
 
 
60 
 
Haciendo una inspección visual de los componentes que integran el dispositivo y 
siguiendo el diseño y ensamblado establecido en la metodología DPEV comienza 
el armado del prototipo, previamente se debe ajustar y sellar bien el electrolizador 
al momento de estar incorporando todas las piezas para que no exista ningún 
problema durante el desempeño del electrolizador. 
 
En la figura 3.4 se muestra 1 electrolizador PEM (Membrana de Intercambio 
Protónico) de los 10 ensamblados listo para las pruebas de desempeño. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.4. Electrolizador PEM diseñado e integrado. 
 
3.1.1 CURVAS DE DESEMPEÑO 
 
Una vez realizado el ensamble de los electrolizadores se procedió a evaluar su 
desempeño. Se analizaron los resultados utilizando el software KaleidaGraph 4.0, 
obteniendo las curvas características de los prototipos integrados, a cada 
electrolizador se le realizaron las pruebas de caracterización y se muestran las 
más representativas. 
 
 
 
61 
 
Electrolizador 1 MEA 1: 
Se realizaron dos corridas en cada electrolizador, se le asignó a cada 
electrolizador un número para mejor control y el número de MEA coincidía con el 
del equipo para correlacionar el desempeño del MEA (curva i vs V) con el buen 
funcionamiento global del electrolizador (no fugas, estable, etc.), las pruebas se 
realizaron en un galvanostato, obteniendo su curva de desempeño, voltaje vs 
corriente, haciendo repetidamente lo mismo para los 10 prototipos, una respuesta 
característica se muestra en la figura 3.5. En esta figura se puede observar que en 
la segunda corrida va disminuyendo el voltaje a la misma intensidad de corriente 
aplicada (mA), lo que indica una activación favorable del ensamble y una 
operación correcta. El voltaje recomendado para no dañar el MEA es de 2 a 2.5 V. 
Para aumentar el tiempo de vida del ensamble se recomienda utilizarlo en 2 V, de 
esta forma se garantiza que los componentes del MEA no sufran degradación 
alguna al forzar su funcionamiento empleando un mayor voltaje. 
 
 
 
Figura 3.5. Curva de desempeño del electrolizador 1, MEA 1. 
 
 
62 
 
Electrolizador 2, MEA 2 
Este es otro de los electrolizadores al que se le hizo la misma prueba 
galvanostática, haciéndose dos corridas (1 y 2) para observar su desempeño, se 
utilizaron los mismos parámetros y con las mismas unidades, voltaje vs intensidad 
de corriente. Se puede observar que se tiene un voltaje muy alto ya que se 
prolonga a más de tres volts en la primera corrida (figura 3.6) y al suceder esto se 
empiezan a degradar los componentes del MEA y así mismo su tiempo de vida útil 
es menor, se sabe que los componentes del MEA se degradan cuando se 
sobrepasa el voltaje de 2.5 y existe presencia de tinta negra en la cavidad que 
contiene el agua en el electrolizador, esto se atribuye a un mal pintado de las 
tintas sobre la membrana o a una mala integración del MEA. En la segunda 
corrida se puede observar un mejor desempeño, lo que se atribuye a la activación 
de los catalizadores y a la correcta humidificación de la membrana de intercambio 
protónico. Este equipo tendrá un tiempo de vida limitado y se recomienda que se 
monitoree su desempeño y cuando al aplicar 200 mA de corriente se registre un 
potencial de 2.5 V, se cambie el MEA. 
 
Figura 3.6. Curva de desempeño electrolizador 2. 
 
 
63 
 
Las curvas de desempeño del electrolizador 1 fue el comportamiento promedio de 
los prototipos integrados, se recomienda utilizar una densidad de corriente de 200 
mA cuando se utilicen los electrolizadores en el prototipo global integrado, esto 
debe quedar especificado en las condiciones generales de operación en el manual 
de usuaria. 
 
En la figura 3.7 se puede observar las curvas características del electrolizador 5, 
cuyo MEA no estuvo bien preparado. En esta figura se observan las curvas de 
desempeño voltaje vs intensidad de corriente de tres experimentos consecutivos 
que se realizaron al electrolizador: 
 En la primera corrida se obtiene un voltaje menor a 2 V con 300 mA de 
corriente, lo que es una buena respuesta para este electrolizador. 
 En la segunda corrida a la misma intensidad de corriente el voltaje 
reportado es mayor, lo que indica una desactivación de los electrodos. 
 La última corrida sigue la misma tendencia que la corrida dos, obteniéndose 
2.7 a 300 mA, lo que indica una mala preparación del MEA con un posible 
desprendimiento de la capa catalítica, este MEA se debe preparar otra vez 
para que se pueda utilizar en el prototipo final integrado. 
1
1.5
2
2.5
3
0 50 100 150 200 250 300 350
Monocelda
Corrida 1
Corrida 2
Corrida 3
V
o
lt
a
je
 a
p
li
c
o
d
o
 a
l 
e
le
c
tr
o
li
z
a
d
o
r 
/ 
V
i / mA 
Figura 3.7. Desempeño de un electrolizador con el MEA defectuoso. 
Electrolizador 5 
 
 
64 
 
3.2 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO 
 
En la figura 3.8 se observan los componentes de los tanques de almacenamiento 
de gases que seutilizaron para integrar el prototipo. Se emplearon para cada 
electrolizador 2 cilindros de acrílico para el hidrógeno y 2 para el oxígeno; se 
utilizó este material por ser ligero, transparente, resistente y fácilmente maquilable, 
aunado a que es barato y cumple la función demostrativa que requiere el prototipo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.8. Cilindros. 
 
El sistema de suministro y regulación de los gases, es el encargado de almacenar 
y proveer de forma segura, según los parámetros de operación, los gases 
reactantes que usara el sistema de la celda de combustible. El sistema consta de 
dos subsistemas de tanques de almacenamiento uno para el hidrógeno y otro para 
el oxígeno que cumplen con las medidas de seguridad. Para determinar que no 
existen fugas según la metodología establecida los cilindros se conectan entre sí, 
se llenan de agua y se inyecta aire a baja presión (6 psi) con un compresor, si se 
detecta cualquier tipo de fuga ya sea de agua o de aire se debe sellar 
inmediatamente con una resina antes de ser usados para los gases hidrógeno y 
oxígeno, ver figura 3.9. 
 
 
65 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.9. Tanques de almacenamiento de gases. 
 
Las mangueras de silicón entre los tanques sirven como conductos para el paso 
de agua del tanque inferior hacia el tanque superior cuando se alimentan los 
gases, ver figura 3.10 a. Entre los cilindros se encuentra un sistema roscado de 
latón para evitar fugas, ver figura 3.10 b. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10. a) Tanque con manguera de silicón interior y 
b) interconexión roscada entre tanques. 
a b 
 
 
66 
 
La capacidad de los cilindros es de 80 cm3, al tanque de almacenamiento de 
hidrógeno inferior se le puso una graduación de 5 ml cada una para poder 
determinar la cantidad de hidrógeno producido, y poder determinar la eficiencia del 
electrolizador, ver figura 3.11. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.11. Tanque de almacenamiento de hidrógeno graduado. 
 
Se integraron mangueras de látex en los conectores de acrílico inferiores para la 
alimentación de los gases y otras mangueras de látex en la parte superior para la 
alimentación de los mismos a la celda de combustible, cabe aclarar que cuando se 
estén generando los gases las mangueras superiores deben estar bloqueadas ya 
sea con una válvula o con un opresor de flujo y cuando se alimenten los gases a la 
celda de combustibles aplica lo mismo para las mangueras inferiores, ver figura 
3.12. 
 
 
67 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.12. Sistema de almacenamiento integrado. 
 
3.3 CELDA DE COMBUSTIBLE 
 
Con el objetivo de reducir las variables que puedan afectar el desempeño de la 
celda de combustible, durante su ensamblado se estableció una metodología 
DPEV, que se enuncia a continuación. 
 
1. Revisión de las placas de acrílico ya que deben contar con los canales de 
distribución de gases libres, sin bloqueos o rebabas, con los barrenos 
adecuados para poner los tornillos y deben tener un saque para que la 
placa colectoras de corriente embonen correctamente y así evitar fugas. En 
prototipos integrados anteriormente no se había considerado este saque lo 
que generaba problemas de desempeño, fugas de gases y agua, ver figura 
3.13. 
 
 
68 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.13. Placas de acrílico con canales tipo serpentín pero sin 
saque para placa colectora de corriente. 
 
2. Verificar los colectores de corriente que embonen bien con el nuevo diseño 
de las carcasas, ver figura 3.14. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.14. Carcasa con saque para la integración de placas colectoras. 
 
3. Los sellos se maquinaron de acuerdo al diseño establecido, ver figura 3.15, 
estos deben coincidir con las perforaciones de entradas de los gases en las 
placas de acrílico, el espesor del silicón debe ser igual al del electrodo 
formado por la tela de carbón para garantizar el sellado y proteger 
físicamente la estructura porosa de los electro-catalizadores. 
 
 
 
69 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.15. Sellos de silicón. 
 
4. En el MEA se verifica que los electrodos de tela de carbón se hayan 
adherido correctamente a la membrana, ver figura 3.16, debido a que la 
estructura y la morfología de los electrodos en una celda de combustible 
juegan un rol importante, ya que es aquí donde se llevan a cabo las 
reacciones electroquímicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.16. Ensamble membrana electrodos (MEA). 
 
5. Se lavan las carcasas, mallas de acero inoxidable y sellos de silicón con 
agua destilada, luego con algodón y alcohol etílico se limpian y se deja 
secar. Se van integrando los distintos componentes alineándolos 
adecuadamente, ver figura 3.17. 
 
 
70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 3.17. Partes de la celda de combustible. 
 
6. El último paso es colocar los tornillos y conectores rápidos, ver figura 3.18, 
los tornillos se aprietan de manera gradual, sin demasiada presión para no 
dañar el acrílico, pero con suficiente torque para evitar fugas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.18. Celda de combustible integrada. 
 
Finalmente se llevaran a cabo las pruebas de operación, revisión de conexiones e 
inspección visual siguiendo la metodología establecida para la integración de los 
prototipos. 
 
 
71 
 
3.3.1. PRUEBA DE DETECCION DE FUGAS 
 
Para poder llevar a cabo las pruebas de desempeño y asegurar un buen sellado 
de las celdas, fue necesario realizar pruebas de detección de fugas externas e 
internas (mezcla de gases) en cada celda. Estas pruebas se realizaron después 
del ensamblado de las celdas y consiste en pasar un flujo de nitrógeno (gas inerte) 
a través de los campos de flujo. Se sumergieron las celdas en agua desionizada 
para detectar alguna fuga, se probó cada lado por separado de la celdas para 
identificar cualquier anomalía en alguno de los electrodos. La presencia de fugas 
puede ser consecuencia de una mala integración de los sellos ó del MEA y afecta 
directamente el desempeño de la celda. Un sellado inadecuado genera una 
condición de riesgo ya que se están utilizando gases reactivos como lo son el 
hidrógeno y el oxígeno. Si se detecta una fuga se debe desarmar la celda y 
componer cualquier arruga de los sellos. No se puede operar ninguna de las 
celdas si hay indicio de fugas. 
 
La metodología para llevar a cabo esta prueba es la siguiente: 
1. Conectar trozos de manguera a los conectores en uno de los lados de la 
celda, por ejemplo ánodo, y tapar. 
2. Del otro lado (cátodo) se conecta una manguera a la celda y se alimenta 
nitrógeno, abrir la válvula reguladora y suministrar un flujo de gas a presión 
moderada de 5 a 10 psi; el flujo de gas debe salir solo por la salida del cátodo, 
si hay salida de gas por el ánodo indica que hay fugas internas. 
3. Tapar la salida del cátodo para generar una presión interna y forzar el gas a 
buscar una salida si existiera una fuga. El gas se debe retener en el interior de 
los campos de flujo y no debe salir gas por ningún lado, si se observa un 
burbujeo existen fugas en este lado de la celda y se debe corregir 
inmediatamente antes de probarla con los gases hidrógeno y oxígeno. 
4. Realizar los pasos anteriores ahora con el lado del ánodo. 
 
 
72 
 
Si se superaron los pasos anteriores, quiere decir que el sellado de la celda fue 
exitoso. De lo contrario, habrá presencia de burbujas lo que indica el escape del 
gas y habrá que desarmar la celda, se debe realizar una inspección durante el 
desarmado para detectar la posible causa de la fuga, poner especial cuidado en la 
integración de los sellos con el MEA. 
 
Las fugas internas son más comunes, debido a que es más probable que el sello 
se mueva durante el ensamblado de la celda o debido a su deformación al aplicar 
torque a los tornillos. Algunas ocasiones se observan fugas en las uniones de losconectores y tapones pero se corrigen apretando más el conector o recubriendo 
la rosca con cinta teflón. 
 
3.3.2 INSTALACIÓN DEL SISTEMA 
 
Una vez garantizado el sellado de la celda, se prosigue con la segunda etapa, que 
consiste en las pruebas de desempeño. La caracterización permite conocer la 
curva y el punto óptimo de operación, ver figura 3.19. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.19. Caracterización celda de combustible. 
 
 
73 
 
En la figura 3.20 se muestra el desempeño de una de las celdas de combustible 
integradas. En esta figura se observan las tres regiones características del 
desempeño de una celda de combustible. El potencial a circuito abierto es de 0.88 
V, la zona de activación se observa entre 0.88 V y 0.7 V, una zona óhmica se 
distingue entre 0.7 V y 0.4 V y entre 0.4 V y 0.1 V se ve la zona de concentración. 
 
Por las condiciones de operación que son las ambiente, la repuesta es modesta 
pero representativa de una celda de combustible. Las otras celdas de combustible 
mostraron desempeños similares. 
 
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 10 20 30 40 50 60 70
CELDA NO. 6
V
o
lt
a
je
 d
e
 l
a
 c
e
ld
a
 /
 V
Intensidad de Corriente / A
 
Figura 3.20. Desempeño de la celda combustible. 
 
 
 
74 
 
3.4. INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO ELECTROLIZADOR-CELDA DE 
COMBUSTIBLE. 
En la figura 3.21 se puede observar el prototipo completo, integrado por un 
electrolizador, un sistema de almacenamiento de gases, una celda de combustible 
y un motor eléctrico de baja potencia. Cabe mencionar que el electrolizador se 
puede alimentar con un panel fotovoltaico para generar hidrógeno limpio y 
sustentable con una energía renovable. Se deben cuidar las conexiones eléctricas 
del electrolizador, así como identificar bien los electrodos de cada dispositivo 
siguiendo la metodología establecida DPEV. 
 
 
Figura 3.21. Prototipo solar hidrógeno de prueba. 
 
3.5. STACK DE UN ELECTROLIZADOR DE DOS ENSAMBLES 
 
Para una mayor producción de hidrógeno se escaló el electrolizador para 
conformar un stack conformado por dos ensambles se siguió la metodología 
establecida DPEV. En la figura 3.22 se observan las placas soporte de aluminio y 
la carcasa de acrílico con un diseño circular. 
 
 
75 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.22. Placas soporte de aluminio y carcasa de acrílico. 
 
En la figura 3.23 se observan las placas distribuidoras de corriente de acero 
inoxidable con perforaciones para el correcto desalojo de los gases y con su 
pestaña para la conexión a la fuente de potencia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.23. Malla distribuidora de corriente de acero inoxidable. 
 
La figura 3.24 muestra uno de los dos ensambles membrana electrodos 
preparados, la membrana se cortó cuadrada para asegurar que en conjunto con 
los sellos de silicón no existirán fugas, en la parte central se observa el difusor de 
gases de tela de carbón que conforma uno de los electrodos. 
 
 
 
76 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.24. Ensamble membrana electros, MEA. 
 
Siguiendo el método de ensamblado de los componentes del electrolizador se 
integran los dos MEAS para formar el stack, ver figura 3.25. Se debe tener 
especial cuidado con los sellos de silicona que coincidan bien los barrenos de los 
tornillos, las entradas y salidas de agua de cada electrodo, esta es parte de la 
validación según la metodología establecida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.25. Integración stack electrolizador. 
 
En la Figura 3.26 se muestra una de las carcasas con sus componentes ya 
colocados, con el MEA y mallas distribuidoras de corriente colocadas. 
 
 
 
77 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.26. Componentes durante el ensamble. 
 
El electrolizador quedo integrado por los dos ensambles, ver figura 3.27, posterior 
a la manufactura fue caracterizado con la técnica de pulsos de corriente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.27. Stack del electrolizador integrado con dos ensambles. 
 
 
78 
 
Utilizando la técnica de cronopotenciometría, el stack fue instalado en un banco de 
pruebas conformado por un potenciostato/galvanostato, una base de montaje, dos 
probetas graduadas de almacenamiento de gases, un recipiente de agua des-
ionizada, dos bombas de agua de baja presión y un cronómetro. Este stack fue 
caracterizado alimentando agua mediante los puertos anódico y catódico de los 
extremos del stack. Al sistema se le imponen pulsos de corriente con duración de 
3 min y se obtiene la respuesta en voltaje en el equipo. La figura 3.28 muestra el 
stack del electrolizador tipo PEM montado en el banco de pruebas donde fue 
caracterizado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.28. Stack del electrolizador tipo PEM de dos ensambles montado en 
un banco de pruebas para su caracterización. 
 
 
 
 
79 
 
3.5.1. ELECTROLIZADOR STACK ARREGLO EN SERIE Y PARALELO 
 
Para el electrolizardor de dos ensambles con 38 cm2 de área geométrica se 
realizaron pruebas en serie y en paralelo para los MEA 1 y 2, y determinar su 
desempeño. En la figura 3.29 se puede observar el desempeño del MEA 1 y el 
MEA 2 con el arreglo en serie y en paralelo. Se observan los distintos 
desempeños con fines de comparación. Los dos ensambles tuvieron un 
comportamiento similar y su desempeño fue estable, se observo un voltaje de 2 V 
a una intensidad de corriente de 200 mA. En los arreglo se puede observar que al 
colocarlos en serie se requiere un mayor voltaje, lo cual esta de acuedo a la teoria 
que establece que en un arreglo en serie el voltaje total es la suma del requerido 
por cada ensamble, del mismo modo el hidrógeno obtenido es la suma de cada 
celda. 
1
2
3
4
5
6
0 100 200 300 400 500 600
MEA1 
MEA 2
Arreglo serie
Arreglo paralelo
V
o
lt
a
je
 a
p
li
c
a
d
o
 a
l 
e
le
c
tr
o
li
z
a
d
o
r 
/ 
V
i / mA
 
Figura 3.29. Arreglo en serie y en paralelo del stack del electrolizador. 
 
 
 
80 
 
El arreglo en paralelo da un mejor desempeño comparado con cada celda 
individual, para este arreglo la teoria establece que la corriente aplicada se divide 
en los dos ensambles, dejando el potencial constante. En este tipo de arreglo se 
obtuvo una cantidad de hidrógeno igual al de un ensamble individual por lo que 
conviene la conexión en serie, donde se suma el voltaje, pero tambien se suma la 
producción de hidrógeno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
82 
 
CONCLUSIONES 
 
En este trabajo se siguió una Metodología de Diseño de Prototipos por 
Especificaciones y Validaciones (DPEV por sus siglas en inglés) ya que establece 
todas las especificaciones de las distintas etapas del desarrollo de un prototipo 
que son funcionamiento, diseño, manufactura, y ensamblado, así mismo valida la 
operación instalación y seguridad. 
Siguiendo la metodología se describió el funcionamiento y los componentes de un 
electrolizador y una celda de combustible. Se describió y explicó cómo obtener la 
curva de desempeño de cada dispositivo. 
Se diseñaron, manufacturaron e integraron sistemas representativos de las 
tecnologías del hidrógeno conformados por un electrolizador y una celda de 
combustible, los cuales tienen un diseño mejorado comparado con otros prototipos 
desarrollados en el grupo de trabajo. Se integró un electrolizador para la 
producción de hidrógeno y oxígeno a partir de agua, los gases generados se 
almacenaron en recipientes ligeros con capacidad de hasta 80 cm3. Los gases 
almacenados se alimentaron a una celda de combustible diseñada e integrada en 
el proyecto. La energía eléctrica producida por la celda de combustible se utilizó 
para alimentar sistemas de baja potencia como un motor, un sistema de LEDs ó 
una caja de música. 
Se integraron 10 prototipos que seutilizan en sistemas de demostración y en 
prácticas de laboratorio. 
Se actualizó y preparó un manual de prácticas para la utilización de tecnologías 
del hidrógeno y hacer didáctico el sistema integrado, que se agregó en el anexo 
de este trabajo. 
 
 
83 
 
Se escaló el electrolizador a un stack de dos ensambles para asegurar la 
producción de hidrógeno requerido por distintas celdas de combustible. Se 
estableció la metodología de manufactura y se obtuvo su curva de desempeño. 
Una conclusión importante es que este tipo de sistemas son una alternativa para 
controlar las alteraciones ambientales de nuestro planeta utilizando fuentes 
alternativas de energía que complementen los combustibles fósiles existentes y 
así poder suministrar energía a viviendas, negocios y vehículos. La disponibilidad 
de estos prototipos ayuda a entender y establecer beneficios económicos y 
ambientales, ya que la generación de electricidad en dispositivos de conversión de 
energía como las celdas de combustible, permite un mejor aprovechamiento del 
contenido energético del combustible utilizado, alcanzando desde un 40% hasta 
un 60 % de eficiencia. 
 
EXPECTATIVAS 
 
 Se espera que la Metodología DPEV sirva de guía para poder tener 
procesos en el diseño y manufactura de prototipos electrolizador – celda de 
combustible a mayor escala y con una producción en serie para su 
comercialización. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
84 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
85 
 
REFERENCIAS 
 
[1] “Celdas de combustible”, Editores F. J. Rodríquez Varela, O. Solorza Feria, 
E. Hernández Pacheco, Editorial: CreateSpace (USA), ISBN: 
9780980991529, septiembre de 2010. 
[2] “Energías alternas propuesta de investigación y desarrollo tecnológico para 
México”, editores: Claudio A. Estrada Gasca y Jorge Islas Samperio, editorial 
Academia Mexicana de Ciencias, Tlalpan, 14400, México, D. F. 2010. 
[3] Hidrógeno: Introducción a la energía limpia, ISBN: 978-607-7798-02-6, 
Edición 2009, Editor Universidad Autónoma de la Ciudad de México. 
Coordinadores y compiladores Rosa de Guadalupe González Huerta, 
Ernesto López Chávez y Blanca Velázquez Morales, 2009. 
[4] “Ciencia y Tecnologías No. 2, Tecnologías solar-eólica-hidrogeno- pilas de 
combustible como fuentes de energía”, editor: Tecnológico de estudios 
superiores de Ecatepec, Primera edición, Ecatepec de Morelos, estado de 
México, 2009. 
[5] Castillo Cano Ulises, “Las Celdas de Combustible: verdades sobre 
generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica”, México 
Boletín IIE. Vol. 23. Número: 5, 18 de enero del 2010. 
[6] “Hidrógeno, producción y almacenamiento, Retos hacia su uso como vector 
energético sustentable”, Editores: Rosa de Guadalupe González Huerta 
ESIQIE-IPN, Miguel Ángel Oliver Tolentino UPIBI-IPN, Francisco Javier 
Rodríguez Varela Cinvestav Unidad Saltillo Tolentino, Francisco Javier 
Rodríguez Varela, 2013. 
[7] Jorge Luis Corona Guinto, con registro (B110171), ”Diseño y manufactura de 
un electrolizador con membrana de intercambio protónico para la generación 
de hidrógeno como vector energético”, Asesores Dr. Juan Manuel Sandoval-
Pineda y Dra. Rosa de Guadalupe González Huerta, ESIME Azcapotzalco, 
examen 2 de Agosto del 2013. 
 
 
86 
 
[8] “Diseño, Fabricación y Evaluación de una Celda de Combustible Tipo PEM”, 
editores: Valle Soberanes Benigno Alejandro, Girón Cardoz Nubia, Gallardo 
Villanueva M. René, Díaz Ocampo M. Ángel Sebastian P. Joseph, Centro de 
Investigación en Energía (CIE-UNAM) Temixco, Morelos, Noviembre 2007. 
[9] N. Vante, “Electroquímica y Electrocatálisis”, Ed. Nicolas Alonso-Vante, 
Buenos Aires, Vol. 1b, p. 107, 2002. 
[10] http://www.oni.escuelas.edu.ar/2006/GCBA/1233/html/index.html eficiencia 
del electrolizador. 
[11] Carlos Mauricio Sol Serrano, “Construcción y monitoreo de un electrolizador 
prototipo para la generación de hidrogeno”, Centroámerica. Universidad José 
Cañas, 2007. 
[12] Rodríguez Castellanos Andrés, Diseño, construcción y estudio del 
desempeño de un electrolizador con membrana de intercambio protónico. 
Tesis de licenciatura. México, IPN-ESIQIE, 2005. 
[13] Frano Barbir, PEM: Theory and Practice, Elsevier, USA, (2005). 
[14] http://xml.cie.unam.mx/xml/se/pe/NUEVAS_ENERG_RENOV.pdf 
[15] http://www.conacyt.gob.mx/comunicacion/revista/194/Articulos/Tecnologiadel
hidrogeno/Tiposdeceldas03.html 
[16] International Society for Pharmaceutica Engineering, 
[17] http://www.ispe.org/about-ispe 
[18] Recommended Practice SAE‐J1739 (Society of Automotive Engineers): 
Potential Failure Mode and Effects Analysis for Machinery (Machinery 
FMEA). Edition 2002‐08. 
[19] Manuel Bestratén B., Rosa Ma. Orriols R., Carles Mata P., Analyse des 
modes de défauts et effets MADE, Failure Mode and Effect Analysis FMEA. 
[20] International Standard IEC‐60812 (International Electrotechnical 
Commission): Analysis techniques for system reliability–Procedure for failure 
mode and effects analysis (FMEA). Second edition 2006‐01. 
 
 
 
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2006/GCBA/1233/html/index.html
http://xml.cie.unam.mx/xml/se/pe/NUEVAS_ENERG_RENOV.pdf
http://www.conacyt.gob.mx/comunicacion/revista/194/Articulos/Tecnologiadelhidrogeno/Tiposdeceldas03.html
http://www.conacyt.gob.mx/comunicacion/revista/194/Articulos/Tecnologiadelhidrogeno/Tiposdeceldas03.html
 
 
87 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E 
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
PRÁCTICA DE LABORATORIO 
SISTEMA HIDRÓGENO - CELDA DE COMBUSTIBLE 
 
 
 
BITACORA DE CAMBIOS 
REVISIÓN ACUERDO FECHA DESCRIPCIÓN DEL CAMBIO AL PROCEDIMIENTO TÉCNICO 
DIA MES AÑO 
1 
 
 
 
1 
 
 
2 
 
ÍNDICE 
No. Página 
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 
Electrolizador………………………………………………………………………..……3 
Celda de combustible……………………………………………………………………6 
 
COMPONENTES Y DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL SISTEMA 
Electrolizador……………………………………………………………………………11 
Almacenamiento de gases……………………………………………………….……11 
Celda de combustible…………………………………………………………….……12 
Caja de resistencias……………………………………………………………………13 
PROCEDIMIENTO DE CARACTERIZACIÓN 
Caracterización del electrolizador……………………………………….……………14 
Caracterización de la celda de combustible…………………………………………17 
 
REFERENCIAS…………………………...……………………………………………21 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
PRÁCTICA DE LABORATORIO 
 
SISTEMA HIDRÓGENO - CELDA DE COMBUSTIBLE 
 
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 
ELECTROLIZADOR 
El fenómeno de electrólisis consiste en provocar una reacción no espontánea de 
reducción-oxidación mediante la aplicación de una corriente continua. La reacción 
de descomposición del agua para generar hidrógeno y oxígeno gaseosos, se 
presenta a continuación: 
2H2O(L) 2H2(g) + O2(g) 
Para la ruptura de la molécula de agua es necesario aplicar un potencial eléctrico 
mínimo en el electrolizador y se lleve a cabo este rompimiento, 
termodinámicamente el potencial mínimo requerido es de 1.23 V, pero por la 
irreversibilidad de la reacción y condiciones de operación solo se generan gases 
cuando se aplica un potencial por arriba del 1.48 V. 
En la figura 1 se muestra un diagrama del funcionamiento de un electrolizador 
PEM. Se observa que al aplicar el potencial en el ánodo se producen burbujas de 
oxígeno gaseoso (reacción de oxidación), los protones generados en este 
electrodo viajan a través de la membrana de intercambio protónico llegando al 
cátodo donde burbujas de hidrógeno se desprenden como gas (reacción de 
reducción). 
 
 
 
 
4 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Funcionamiento del electrolizador PEM. 
Las partes que constituyen un electrolizador de membrana de intercambio 
protónico son: 2 carcasas que conforman el ánodo y el cátodo, 2 mallas 
distribuidoras de corriente, 2 sellos, 2 difusores de gas y el MEA (ensamble 
membranaelectrodos), ver figura 2. 
 
 
 
Figura 2. Componentes de un electrolizador PEM. 
 
Matemáticamente, para un electrolizador la expresión del potencial real aplicado, 
Ecelda, para un cierto valor de corriente total, I, está representado en la ecuación 1: 
 
 
 
5 
 
 
0
celda celda c a sol circE E (i) (i) IR       Ecuación 1 
 
Donde: c(i) y a(i) son los sobrepotenciales catódico y anódico de cada electrodo 
a una densidad de corriente dada (I), E°celda es 1.48 V voltaje termoneutral mínimo 
para llevar a cabo la electrolisis. El término IRsol+circ crece linealmente con (i) y 
corresponde a las pérdidas debidas principalmente a la caída óhmica en el 
electrolito y conexiones eléctricas a la fuente de potencia, ver figura 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Curva voltaje-corriente para un electrolizador. 
 
La eficiencia que tiene el electrolizador se obtiene de la producción de hidrógeno 
del sistema a un voltaje y una corriente especifica durante un tiempo determinado, 
utilizando la ecuación 2, que da el Volumen a condiciones estándar, V° (25°C y 
1atm.): 
 
 
min
mmHg hrl K
ml
ml mmHg min
5851 60 298.15
V Vexp
1000 760 t exp 273.15 T
     
              
 
Nl
hr
 
  
 Ecuación 2 
 
 
 
6 
 
Donde Vexpml es el volumen medido, texpmin es el tiempo en generar el Vexp, T es 
la temperatura ambiente y Nl son los litros normales de hidrógeno generados. Con 
el volumen normalizado se obtiene la eficiencia en corriente, I, ecuación 3. 
       
     
Nl
hr
As
eqeq
I s
A Nlhr
V 96484 2 100%
I 3600 24.4

  Ecuación 3 
Donde IA es la corriente a la cual se llevo a cabo la electrólisis y se debe mantener 
constante durante todo el proceso. Finalmente se obtiene la eficiencia energética o 
de voltaje, E, ecuación 4: 
 VE I
V
1.48
Eexp
   Ecuación 4 
Donde Eexpv es el voltaje al cual se llevo a cabo la electrólisis y al igual que la 
corriente se debe mantener constante para obtener una eficiencia correcta. 
 
CELDA DE COMBUSTIBLE 
Las reacciones electroquímicas ocurren en la superficie del catalizador que se 
encuentra en cada electrodo (superficie catalítica). El hidrógeno que es 
alimentando en el ánodo, se divide en sus constituyentes primarios (protones y 
electrones). Cada átomo de hidrógeno está constituido por un electrón y un protón; 
los protones viajan a través de la membrana y los electrones viajan a través de los 
electrodos conductores de electricidad por medio de colectores de corriente y un 
circuito externo generando un trabajo útil y llegan al otro electrodo (cátodo). En el 
catalizador ubicado en el cátodo se encuentran los electrones con los protones 
que atravesaron la membrana y el oxígeno que es alimentado en ese lado de la 
celda de combustible. Se lleva a cabo la reacción de reducción de oxígeno que 
 
 
7 
 
genera agua, la cual posteriormente es expulsada de la celda con un exceso de 
flujo de oxígeno. 
Las reacciones simultáneas que se tienen en la celda de combustible PEM son: 
Ánodo 2H2 4H
+ + 4e- 
Cátodo 4e- + 4H+ + O2 2H2O 
Reacción completa 2H2 + O2 2H2O 
Cada monocelda está compuesta por platos con campos de flujo, sellos, mallas 
colectoras de corriente, difusor de gases y el ensamble membrana electrodos, 
figura 4. El corazón de una celda de combustible es un polímero (membrana de 
conductividad protónica con un espesor entre 50-175µm). En ambos lados de la 
membrana hay un electrodo; este electrodo debe ser poroso ya que los gases 
reactantes son alimentados y deben alcanzar la interface entre los electrodos y la 
membrana, donde tienen lugar las reacciones electroquímicas, dicha interface 
recibe el nombre de superficie catalítica. Al conjunto de la membrana y los 
catalizadores se le denomina: Ensamble membrana electrodos (MEA por sus 
siglas en ingles). 
 
Figura 4. Componentes de una celda de combustible. 
 
 
8 
 
En una celda de combustible a medida que en los electrodos se alimentan los 
gases reactantes, aparece una diferencia de potencial que, a circuito abierto, es 
teóricamente igual al potencial reversible de la copla H2/O2, 1.23 V a 25°C, en la 
práctica se alcanza solamente 1V. Si se conecta una carga externa, el voltaje 
entre los electrodos es función de la corriente que está circulando e igual al 
potencial reversible menos los componentes de polarización: por activación de los 
electrodos, por concentración y por caída óhmica. 
El voltaje experimental se relaciona con el voltaje reversible a través de 
sobrevoltajes, que son las pérdidas de voltaje, Vper, que aparecen durante la 
operación de la celda y se describen en las ecuaciones 5 y 6: 
 V = Vr –Vper, ecuación 5 
 Vper = m + a +  + c, ecuación 6 
Donde m es el sobrevoltaje mixto o entrópico, a es el sobrevoltaje de activación, 
 es el sobrevoltaje por resistencia o caída óhmica y c es el sobrevoltaje por 
concentración que depende de la llegada de los reactantes a la superficie del 
electrodo. Durante todo el proceso de operación de la celda existen los diferentes 
sobrevoltajes, pero conforme se obtiene una mayor densidad de corriente, domina 
alguno de ellos, como se muestra en la figura 5. 
La Región 1 de la Figura 5 muestra las perdidas intrínsecas de una celda, 
principalmente por las contribuciones entrópicas del sistema. 
La Región 2 corresponde al sobrevoltaje mixto, m, que desplaza el voltaje a 
circuito abierto (Vca voltaje experimental que se observa cuando la corriente es 
nula) del voltaje reversible, por tres factores: 1) entrecruzamiento de gases de 
reacción, 2) voltajes mixtos que resultan de corrientes farádicas que se producen 
en los electrodos, por los procesos redox presentes en los catalizadores y 3) por la 
irreversibilidad de la reacción. 
 
 
9 
 
 
Figura 5. Gráfica de densidad de corriente vs voltaje de la celda y vs potencia de 
la celda, muestra los sobrevoltajes existentes. 
 
En la Región 3 existe un sobrevoltaje por activación, a, el cual tiene un 
comportamiento semi-exponencial, principalmente por la cinética lenta de las 
reacción en los electrodos. Específicamente la reacción de reducción de oxígeno, 
RRO es 4 órdenes de magnitud más lenta que la oxidación del hidrógeno, por lo 
que la activación del ánodo es prácticamente despreciable en relación a la del 
cátodo. Es importante resaltar que los electrodos se construyen con dos capas 
porosas, la capa difusora colocada del lado del gas y la capa catalizadora 
colocada en contacto con el electrolito. La capa difusora cumple las funciones 
básicas de distribuir el gas reactante, facilitar la remoción de los productos y 
conectar eléctricamente la capa catalizadora a los circuitos eléctricos externos. La 
capa catalizadora cumple la función de promover eficientemente las reacciones 
electroquímicas. 
En la Región 4, de la figura 5, el sobrevoltaje por caída óhmica, , surge 
principalmente por la resistencia a la conducción protónica desde el ánodo, a 
través de la membrana polimérica, hasta el cátodo y por los contactos eléctricos. 
 
 
10 
 
El comportamiento de la disminución del voltaje conforme se incrementa la 
densidad de corriente es lineal, por lo que representa una resistencia óhmica 
dentro de un circuito eléctrico. A la polarización por caída óhmica contribuyen 
también resistencias eléctricas en el interior de las celdas. Para mantener la 
polarización óhmica pequeña, los electrodos se construyen de forma que posean 
alta conductividad eléctrica, por otro lado el electrolito sólido que separa los 
electrodos debe ser lo más delgado posible, pero que sea impermeable a los 
gases de reacción y debe tener una buena resistenciamecánica y química. En 
este caso el espesor de la membrana Nafion® 115 utilizada es de 0.125 mm. 
Finalmente, la Región 5 representa el sobrevoltaje de concentración, c. A altas 
densidades de corriente todo el reactivo que llega a la superficie del electro 
catalizador se convierte a producto, por lo que este sobrevoltaje se debe 
principalmente a la baja velocidad de transporte de los gases reactivos, H2 y O2, a 
través de los difusores y poros de las capas del electro catalizador. La polarización 
por concentración resulta del agotamiento del gas reactante en la interfaz del 
electrodo/electrolito. Esto ocurre por el consumo del gas reactante a través de la 
reacción electródica durante la operación del sistema, problema que baja la 
accesibilidad de los gases a los electrodos. Es primordial que los electrodos sean 
porosos y que tengan una elevada área interfacial para garantizar un acceso fácil 
y continuo de los reactantes gaseosos. 
La potencia eléctrica, P, que genera la celda de combustible se obtiene del 
producto del voltaje de la celda por la corriente: 
 P = V i ecuación 8 
La figura 5 también muestra la curva de potencia vs corriente de la celda. 
 
 
 
 
11 
 
COMPONENTES Y DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL SISTEMA 
 
ELECTROLIZADOR 
Las carcasas del electrolizador son de acrílico, con una cavidad con capacidad de 
5 ml de agua, para ánodo y cátodo. El corazón del electrolizador es el ensamble 
membrana electrodo, MEA (por sus siglas en íngles, Membrane Electrodes 
Assembly) el cual consiste de cinco capas, estas deben estar integradas de 
manera que la tinta catalítica, la membrana de intercambio protónico y los 
difusores de gases formen una unidad, dependiendo de la buena integración de 
los componentes será el desempeño tanto del electrolizador como de la celda de 
combustible. Los colectores de gases son de acero inoxidable para evitar la 
oxidación ya que se encuentran en ambiente húmedo, figura 6. Se utilizó una 
membrana Nafion 115 con un espesor de 125 m. 
 
Figura 6. Electrolizador PEM, módulo de prueba. 
 
ALMACENAMIENTO DE GASES 
Se utilizaron dos tanques para almacenar el hidrógeno y el oxígeno, los cuales 
fueron fabricados de un tubo de acrílico de 8 cm de diámetro, con una capacidad 
de 80 ml, con dos entradas laterales una inferior para la entrada de los gases del 
 
 
12 
 
electrolizador y otra superior para la alimentación de los gases a la celda de 
combustible, figura 7. El tanque de hidrógeno esta graduado para poder medir la 
producción de hidrógeno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7. Tanques de almacenamiento de gases. 
CELDA DE COMBUSTIBLE 
Para los platos colectores de la celda de combustible se utilizó acrílico, los campos 
de flujo fueron de serpentín alternado para una mejor distribución de los gases de 
reacción y un mejor desalojo de agua. 
Se utilizan ensambles membrana electrodos, preparados con la membrana 
Nafión® previamente activada, como cátodo y ánodo se utilizan electrodos 
comerciales electrochem de tela de carbón de 4 cm2, con una carga catalítica de 1 
mg/cm2 de Pt-Etk al 10%, se ensambla el sistema para futuras pruebas, ver figura 
8. 
 
 
13 
 
 
Figura 8. Sistema Celda de combustible en serie, módulo de prueba. 
 
CAJA DE RESISTENCIAS 
La caja de resistencia fue diseñada con un circuito eléctrico de 1 polo 11 tiros, 
considerando un rango de resistencias de 1 ohm hasta 200 ohms, incluyendo 
una caja de música y un motor de baja potencia. Se integró la caja de 
resistencias utilizando una fuente de 5 V. 
Internamente la caja de resistencias consta de un amperímetro que está 
conectado en serie con el polo y los 11 tiros, el amperímetro va conectado a la 
fuente de 5 V. La caja de resistencias tiene dos conexiones de salida en 
paralelo, una para poder medir con un voltímetro la diferencia de potencial que 
se tiene en el sistema y la otra para conectar la celda de combustible para su 
caracterización. 
Una característica importante del sistema de 1 polo 11 tiros es que es posible 
seleccionar en donde se quiere que trabaje la celda de combustible girando la 
perilla en cada resistencia, ver figura 9. 
 
 
14 
 
 
Figura 9. Caja de resistencias, módulo de prueba. 
 
PROCEDIMIENTO DE CARACTERIZACION 
CARACTERIZACIÓN DE UN ELECTROLIZADOR 
El electrolizador PEM convierte energía eléctrica en energía química y puede ser 
entendida como el proceso inverso de la celda de combustible. La conversión se 
realiza en dos cámaras que están separadas por una membrana conductora de 
protones. Al aplicar una corriente continua el agua se descompone en hidrógeno 
(H2) en el polo negativo (cátodo) y en oxígeno (O2) en el polo positivo (ánodo). Los 
gases son almacenados en los tanques de almacenamiento de acrílico. La 
caracterización de un electrolizador nos sirve para obtener su curva característica. 
El sistema se conecta como se indica en la figura 10, utilizando una fuente de 
potencia: 
 
 
15 
 
 
Figura 10. Conexión para caracterización del electrolizador, sistema de prueba. 
 
El electrolizador esta en serie con el amperímetro y en paralelo con el voltímetro. 
Se aplican pulsos de corriente ajustando la fuente, se toman las lecturas que 
arroja el amperímetro y el voltímetro, tabla No 1: 
Tabla No. 1 Pulsos de corriente. 
I mA V (volts) I Ma V (volts) I mA V (volts) 
10 110 210 
20 120 220 
30 130 230 
40 140 240 
50 150 250 
60 160 260 
70 170 270 
80 180 280 
90 190 290 
100 200 300 
 
 
 
 
16 
 
Obteniéndose resultados como los de la tabla I I: 
 
Tabla No. I I 
I mA V (volts) I mA V (volts) 
10 1.49 120 1.73 
20 1.52 140 1.76 
30 1.56 160 1.78 
40 1.58 180 1.83 
50 1.61 200 1.88 
60 1.63 250 1.93 
70 1.66 300 1.95 
80 1.67 
90 1.69 
100 1.70 
 
Con los datos reportados en la tabla se genera la gráfica corriente vs voltaje, 
característica del electrolizador, ver figura 11. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11. Gráficas corriente-voltaje del electrolizador. 
 
 
 
17 
 
Se puede observar en la curva de desempeño del electrolizador, que inicia el 
proceso de electrólisis a un voltaje de 1.49 V. Después de iniciar el proceso de 
electrólisis se observa un comportamiento exponencial de la corriente respecto al 
voltaje, lo que indica que la reacción está controlada por la transferencia 
electrónica y depende de los electrocatalizadores usados, este comportamiento es 
a bajas densidades de corriente y potenciales cercanos al inicio del proceso de 
electrólisis y se observa hasta un voltaje de 1.65 V y 55 mA. A mayores voltajes 
se observa un comportamiento lineal del voltaje respecto a la corriente, lo que 
indica una resistencia óhmica generada por el electrolito y los contactos eléctricos 
del sistema. En la zona de caída óhmica es donde se debe trabajar un 
electrolizador dependiendo de la cantidad de gases que se requieran, teniendo 
cuidado de no exceder de 3 V para no dañar el MEA del electrolizador. 
 
CARACTERIZACIÓN DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE 
Caracterizar una celda de combustible sirve para determinar su curva de 
desempeño y obtener tanto su potencia máxima como su punto óptimo de 
desempeño. El sistema debe conectarse como se muestra en la figura 12. 
Se conecta la caja de resistencias con la celda de combustible, conectando un 
voltímetro en paralelo. Se alimenta hidrógeno de los tanques de almacenamiento 
hasta alcanzar un voltaje a circuito abierto (Vca) estable (se esperaría entre 0.8 y 
1V) para una monocelda. Una vez teniendo este voltaje se varían las resistencias 
[Vca, 200Ω, 100Ω, 50Ω, 10Ω, 5Ω, 3Ω, 1Ω y corriente corto circuito, (ccc)] se toman 
valores de voltaje e intensidad de corriente en cada resistencia. 
 
 
18 
 
 
Figura 12. Conexión para caracterizar una celda de combustible. 
 
Es muy importante que cada vez que se haga una lectura, se regrese al punto de 
origen Vca para alcanzar denuevo el máximo voltaje y poder hacer la siguiente 
lectura. Conforme se leen los resultados se completa la siguiente tabla I I I: 
Tabla No. I I I. 
Ω V(volts) I(mA) 
Vca 
200 
100 
50 
10 
5 
3 
1 
ccc 
 
 
 
19 
 
Se obtendrán resultados como los que se observan en la tabla IV: 
Tabla No. IV. 
Ω V(volts) I(mA) 
Vca 1.56 0 
200 1.48 6 
100 1.40 14 
50 1.32 24 
10 0.98 102 
5 0.73 145 
3 0.39 193 
1 0.24 230 
ccc 0.03 232 
 
Se gráfica voltaje vs intensidad de corriente vs potencia obteniendo una gráfica 
como la figura 13: 
 
 
Figura 13. Gráficas corriente-voltaje-potencia de la celda de combustible. 
 
 
20 
 
Una vez recabados los datos se prende el motor y la caja de música con la 
energía producida en la celda y se observa el voltaje y la corriente necesario para 
que estos servicios se mantengan funcionando, para saber si es correcto el 
acoplamiento de estos equipos a la celda de combustible se incorporan a las 
curvas de desempeño, si se observa que están en la parte lineal de la curva de V 
vs i, antes de llegar a la potencia máxima se puede concluir que la celda de 
combustible está bien diseñada para el servicio requerido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
REFERENCIAS 
1) González Huerta Rosa de Guadalupe. Síntesis y estudio electrocatalítico de 
compuestos de rutenio para su aplicación en una celda de combustible con 
membrana de intercambio protónico. Tesis de doctorado. México, IPN-ESIQIE, 
2005. 
2) Rodríguez Castellanos Andrés, Diseño, construcción y estudio del desempeño 
de un electrolizador con membrana de intercambio protónico. Tesis de 
licenciatura. México, IPN-ESIQIE, 2005. 
3) Libros de Ciencia y tecnología No. 2, “Tecnología Solar-Eólica-Hidrógeno-
Celdas de Combustible como Fuentes de Energía”. Libro electrónico Primera 
Edición 2009 ISBN 978-607-95065-0-6, Editor Tecnológico de Estudios 
Superiores de Ecatepec. Página web http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales/e-
bookCyT2.pdf 
4) Hidrógeno: Introducción a la energía limpia, ISBN: 978-607-7798-02-6, Edición 
2009, Editor Universidad Autónoma de la Ciudad de México. Coordinadores y 
compiladores Rosa de Guadalupe González Huerta, Ernesto López Chávez y 
Blanca Velázquez Morales, 2009. 
5) Barbir, PEM Fuel Cells: Theory and Practice, ELSEVIER, 2005. 
6) Andrés Rodríguez-Castellanos, Ernesto López-Torres, Omar Solorza-Feria, 
Solar-Hydrogen-Fuel Cell Prototype as a Source of Renewable Energy 
Generation, J. Mex. Chem. Soc., 51(2), 55-58, 2007.