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Parte dos

Año 40, julio-septiembre de 2016, vol. 40, núm 3, ISSN0185-0059

Sumario

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Sumario

Editorial

DivulgaciónDesarrollo de nuevos nanomateriales para su aplicación en la tecnología de celdas de combustibles tipo PEM / Development of new nanomaterials for its application in PEM fuel cell technology.José Roberto Flores Hernández, Irma Lorena Albarrán Sánchez, Tatiana Romero Castañón, Ulises Cano Castillo, Félix Loyola Morales, Manuel de Jesús López Pérez, Javier de la Cruz Soto, Rosa María Félix Navarro y Mara Beltrán Gastélum.

Tendencia tecnológicaAplicación de nanomateriales en el almacenamiento de energía / Application of nanomaterials in energy storage. Leonardo Rejón García y Carlos Gustavo Azcárraga Ramos.

Artículos técnicos• Estrategias para la inspección y calificación de la corrosión en cimentaciones de líneas de transmisión / Strategies for the corrosion inspection and qualification of transmission lines foundations. José María Malo Tamayo, José Antonio Ramón Muñoz Ledo Carranza y Daniel Fernández Rodríguez. • Desarrollo de varistores cerámicos para apartarrayos / Development of ceramic varistors for surge arrester. Mario Román Díaz Guillén y Francisco Arturo López González.

Comunidad IIE • Lideramos la elaboración del Atlas Eólico de México / We lead the development of the Wind Atlas of Mexico.• CANAME en el INEEL / CANAME at INEEL.• Alternativas de aprovechamiento energético / Energy use alternatives.• Fabricación de sensores a base de materiales nanoestructurados / Manufacture of nanostructured based sensors.

Breves técnicas• Implantación de un proceso de refinación de aceite de Jatropha curcas para la obtención de aceite vegetal dieléctrico / Implementation of a Jatropha oil refining process for the production of dielectric vegetable oil. Norma Angélica Beltrán Zarza.• Materiales nanoestructurados para sensores de gases subproductos de degradación en aislamientos eléctricos / Nanostructured material for gas sensors produced by electrical insulation ageing.Leonardo Rejón García, Katherine Montoya Villegas y Edgar Alonso Reynoso Soto.• Diagnóstico del estado operativo de aisladores poliméricos en líneas de transmisión / Diagnostics of the operating state of polymer insulators on transmission lines. Ramiro Hernández Corona, Isaías Ramírez Vázquez y Gerardo Montoya Tena.

Artículo de investigación Evaluation of Pt-Au/MWCNT (Multiwalled Carbon Nanotubes) electrocatalyst performance as cathode of a proton exchange membrane fuel cell. Mara Beltrán Gastélum, M. I. Salazar Gastélum, Rosa María Félix Navarro, S. Pérez Sicairos, E. A. Reynoso Soto, S. W. Lin, José Roberto Flores Hernández, Tatiana Romero Castañón, Irma Lorena Albarrán Sánchez y F. Paraguay Delgado.Article originally published in Energy 109 (2016) 446-455, ELSEVIER.

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Boletín IIE, 2016

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julio-septiembre

Editorial

Hoy en día, el sector energético en México enfrenta grandes retos relacionados con la generación de energía eléctrica utilizando tecnologías libres de emisión de gases efecto invernadero. Para ello, una alternativa es el empleo de tecnologías basadas en fuentes renovables como la geotermia, eólica, solar, de hidrógeno, entre otras, sin embargo, éstas aún no son capaces de producir la cantidad de energía, como lo hacen las basadas en combustibles fósiles. Además, en algunos casos, su producción es intermitente, lo que da lugar a inestabilidades en la red eléctrica.

Por otra parte, el mismo sector y el de movilidad tienen la necesidad de almacenar cada vez más una mayor cantidad de energía generada y para ello se requieren dispositivos de almacenamiento con mejores propiedades y capacidades a los hoy disponibles comercialmente.

Uno de los factores que pueden ayudar a que las energías renovables y los sistemas de almacenamiento sean más eficientes y con mayor capacidad es la mejora en el desempeño de los materiales que se utilizan para su construcción, y una opción para los dispositivos de almacenamiento es el empleo de nanopartículas de óxidos metálicos, grafeno en sus diferentes formas y la combinación de ellos, los cuales han mostrado un gran potencial para cambiar el escenario para el almacenamiento de la energía de hoy, mejorando la capacidad y rapidez de carga, así como una reducción importante en el tamaño

de los dispositivos pero, se requiere resolver varios retos.

En esta edición del Boletín IIE, el artículo de divulgación aborda el desarrollo de nuevos nanomateriales para su aplicación en la tecnología de celdas de combustibles tipo PEM.

El artículo de tendencia tecnológica trata sobre la aplicación de nanomateriales en el almacenamiento de energía, mientras que en esta ocasión se cuenta con dos artículos técnicos: el primero habla sobre las estrategias para la inspección y calificación de la corrosión en cimentaciones de líneas de transmisión, y el segundo sobre el desarrollo de varistores cerámicos para apartarrayos.

Las breves técnicas incluyen, en esta oportunidad, los siguientes temas: Implantación de un proceso de refinación de aceite de Jatropha curcas para la obtención de aceite vegetal dieléctrico; materiales

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nanoestructurados para sensores de gases subproductos de degradación en aislamientos eléctricos, y diagnóstico del estado operativo de aisladores poliméricos en líneas de transmisión.

Por último, el artículo de investigación se titula: Evaluation of PteAu/MWCNT (Multiwalled Carbon Nanotubes) electrocatalyst performance as cathode of a proton exchange membrane fuel cell.

Sin duda alguna los nanocompuestos y los materiales de alto desempeño que tienen su base principal en el empleo de nanopartículas son una buena opción para obtener mejores propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, necesarias para que los retos fijados en el sector puedan ser una realidad.

Nos enorgullecemos en afirmar que en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) nos hemos dado a la tarea de llevar a cabo investigación que nos permita ofrecer a nuestros clientes actuales y potenciales, soluciones innovadoras para enfrentar los retos que la reforma y la globalización energética demandan y así mantenerse a la vanguardia tecnológica.

Boletín IIE, 2016julio-septiembre

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Abstract

This paper addresses the progress on the INEEL´s technology for MEAs fabrication processes, including performance results with new catalyst for the fuel cell redox reactions with Carbon Nanotubes as support for Platinum nanoparticles for the new generation of INEEL´s PEM Fuel Cell technology.

José Roberto Flores Hernández1, Irma Lorena Albarrán Sánchez1, Tatiana Romero Castañón1, Ulises Cano Castillo1, Félix Loyola Morales1, Manuel de Jesús López Pérez1, Javier de la Cruz

Soto1, Rosa María Félix Navarro2 y Mara Beltrán Gastélum2

Desarrollo de nuevos nanomateriales para su aplicación en la tecnología

de celdas de combustibles tipo PEM

1 Instituto Nacional de Electricidad yEnergías Limpias2 Instituto Tecnológico de Tijuana

Divulgación

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Introducción

La demanda de energía eléctrica a nivel mundial seguirá en aumento en el mediano y largo plazo, según un estudio realizado en 2015 por la World Energy Outlook (www.gob.mx). El mayor aumento se prevé en países en vías de desarrollo y menor en países industrializados. Este aumento en el consumo de la electricidad se debe básicamente al crecimiento demográfico, al desarrollo económico y a los profundos cambios en los hábitos y estilos de vida de la sociedad actual.

Hoy en día, la mayor parte de la energía mundial se genera a partir de combustibles fósiles, principalmente petróleo, carbón y gas los cuales, aparte de ser unos de los mayores causantes de la contaminación y del cambio climático en nuestro planeta, son energéticos no renovables que no podrán mantener la sustentabilidad energética mundial en el futuro. Por esta razón, varios países, incluyendo México, tienen a las energías renovables (solar, eólica, biomasa, geotermia, etc.) en sus planes estratégicos para garantizar su sustentabilidad energética. Aunado a las energías renovables, una tecnología que es muy prometedora para generar energía eléctrica de manera limpia, eficiente y amigable con el ambiente es la tecnología de celdas de combustibles tipo PEM (Proton Exchange Membrane), la cual puede emplearse en cualquier aplicación (transporte, residencial, industrial, dispositivos móviles, etc.). Uno de los principales obstáculos

para su comercialización masiva es su alto costo, el cual ha disminuido en más de un 50% desde 2006, y cuyos costos en 2015 se estimaron en 53_USD/kW para altos volúmenes de producción (500,00 unidades anuales) y de 280_USD/kW para bajos volúmenes de producción (100,00 unidades anuales) (Kopasz et al., 2016).

Estatus tecnológico de las celdas de combustibles tipo PEM en el INEEL

La investigación y desarrollo de esta tecnología en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) se inició en 2001, realizando experimentos en pequeñas celdas de combustibles de laboratorio fabricadas por el grupo con fines demostrativos. Posteriormente se comenzó con la elaboración de algunos de sus principales componentes, como por ejemplo: el Ensamble Membrana-Electrodo (MEA por sus siglas en inglés) y las placas de grafito para la distribución de gases. Hoy en día se cuenta con un proceso de fabricación de MEA (protegido con cuatro patentes, tres de las cuales ya han sido otorgadas y una en trámite), con el cual es posible fabricar de manera automática, con muy buena reproducibilidad y con un desempeño altamente competitivo (figura 1) un gran número de este esencial componente en menor tiempo.

Figura 1. Comparación de curvas de desempeño y de potencia de un MEA comercial vs el MEA preparado con el proceso de fabricación automático desarrollado en el INEEL. La caracterización de ambos MEA se realizó bajo las mismas condiciones operativas, las cuales fueron: T = 60°C, hidrógeno gas en el ánodo y oxígeno gas en el cátodo, ambos gases a una presión de 10 psi.


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De igual manera, el grupo también cuenta con procesos de fabricación de otros componentes que integran esta tecnología (placas distribuidoras de gases, sellos, refuerzos para la membrana, etc.). De esta manera, el grupo de hidrógeno y celdas de combustibles tiene hoy en día la capacidad tecnológica de fabricar stacks de celdas de combustibles de diferentes capacidades de potencia altamente competitivos.

En la figura 2 se muestran cuatro stacks de celdas de combustibles, diseñados y fabricados por el grupo que integró parte de la planta de potencia del vehículo eléctrico utilitario con celdas de combustible a hidrógeno, que fue el producto principal de un proyecto financiado por la SENER y el CONACYT (Cano et al., 2015).

Desarrollo de nuevos nanocatalizadores para la tecnología de celdas de combustibles y electrolizadores tipo PEMOtra vía para disminuir el costo de la tecnología de celdas de combustibles, aparte de los procesos de fabricación masiva, es el desarrollo de catalizadores más económicos, eficientes y más estables. El avance en esta área ha sido

posible debido a la nanotecnología, donde se han aprovechado las excelentes propiedades de algunos materiales, por ejemplo, el uso de nanotubos de carbón o de grafeno, que tienen una mayor estabilidad, conductividad y poseen una mayor área activa que el carbón Vulkan® que se utiliza actualmente como soporte del platino comercial. De igual manera, empleando nanocatalizadores con menor contenido de platino y catalizadores libres de él, se han obtenido resultados muy prometedores, que en el mediano plazo pudieran desplazar al catalizador comercial (Pt/C) que se usa actualmente (www.lanl.gov).

En esta área, el grupo de celdas de combustibles se ha dado a la tarea de formalizar convenios de colaboración con varias instituciones de investigación y de educación superior mexicanas e internacionales

Figura 2. (a) Planta de potencia del vehículo eléctrico utilitario integrada por cuatro stacks de celdas de combustibles con una potencia nominal de 3 kW. (b) Vista general del vehículo eléctrico con los stacks de celdas de combustibles integrados.

(a) (b)

Divulgación

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(Instituto Tecnológico Tijuana, ININ, Universidad Autónoma de Zacatecas, el Instituto Tecnológico de Cancún, el Centro de Investigación en Química Aplicada, el Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM, el CIMAV y la Universidade do Extremo Sul Catarinense de Brasil) que están involucradas en la investigación de nuevos nanomateriales. El objetivo de estas colaboraciones es obtener nanomateriales más económicos, eficientes, con mayor área activa disponible, con desempeño competitivo y mayor estabilidad, así como procesos de producción que puedan ser transferidos a la industria mexicana o internacional. En la figura

3 se muestran las micrografías de algunos nanocatalizadores sintetizados en el Centro de Graduados del Instituto Nacional del Tecnológico de Tijuana y caracterizados en el INEEL.

En la figura 4 se muestra que el desempeño hasta ahora alcanzado con uno de los nanocatalizadores sintetizados en el ITT (Pt-Au/NTC) es muy cercano al desempeño del catalizador comercial (Pt/C), aun cuando se tiene la mitad de platino que el catalizador comercial, lo que lo hace más económico. Mayores detalles de la caracterización del nanomaterial Pt-Au/NTC se pueden obtener en el artículo recientemente publicado en la revista Energy (Beltrán, 2016). Otros nanocatalizadores que se están investigando son los bimetálicos Pt-Fe/NTC, Pt-Ni/NTC, Pt-Cu/NTC y Pt-Co/NTC, los cuales contienen metales mucho más económicos que el platino.

Figura 3. Micrografías de Pt/C comercial (a), de Pt-Au/NTC (b) y Pt-Au/Grafeno (c), estos últimos dos nanomateriales fueron sintetizados en el Instituto Tecnológico de Tijuana (Beltrán , 2016).

Figura 4. Comparación de curvas de desempeño y de potencia de un MEA comercial vs el MEA preparado con Pt-Au/NTC sintetizado en el ITT. La caracterización de ambos MEA se realizó bajo las mismas condiciones operativas, las cuales fueron: T = 60°C, hidrógeno gas en el ánodo y oxígeno gas en el cátodo, ambos gases a una presión de 10 psi.

(a)

(b)

(c)


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ReferenciasSecretaría de Energía. Prospectiva del Sector Eléctrico 2015-2029. [En línea] www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/44328/Prospectiva_del_Sector_Electrico.pdf

Kopasz J. et al. Fuel Cells and Hydrogen. Status and Recent Progress under the US DOE Fuel Cells and Hydrogen Program, Advanced Automotive Battery Conference, June, 2016, Detroit, MI.

Cano U. et al. Informe para Conacyt del Proyecto “Vehículo eléctrico utilitario con celdas de combustible a hidrógeno”. Febrero, 2105.

Currículum vítae

José Roberto Flores Hernández[[email protected]]

Doctor en Electroquímica por la Albert-Ludwigs-Universität Freiburg I. Br., Alemania. Maestro en Ciencias en Química con especialidad en Electroquímica por el Tecnológico de Tijuana. Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1990 a la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad se relaciona con la producción de hidrógeno vía la electrólisis del agua, donde ha diseñado y fabricado un prototipo industrial de stack de electrólisis, el cual ha pasado la fase de pruebas con un buen desempeño. Su actividad principal se enfoca en la fabricación de Ensambles Membrana-Electrodos (MEAs) para la tecnología de celdas de combustibles y electrolizadores. Ha realizado el desarrollo tecnológico del proceso de deposición automática de tinta catalítica para la fabricación de MEAs. Actualmente trabaja en la fabricación de MEAs para stacks de celdas de combustibles y la aplicación de las diferentes tecnologías de baterías en el área del almacenamiento de energía. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de 3 patentes otorgadas, una en trámite y coautor de dos solicitudes de diseño industrial. Es miembro de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y de la Red de Energía Solar.

Irma Lorena Albarrán Sánchez[[email protected]]

Maestra en Ciencias por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester, Inglaterra, con especialidad en

Procesos de Separación de Partículas. Ingeniera Química por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), cuya tesis, desarrollada en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), obtuvo el 2° Lugar del V Concurso Nacional de Tesis CONACYT-CFE-IIE. Ingresó al Departamento de Materiales del IIE en 1991, colaborando en el desarrollo de materiales poliméricos. Reingresó al IIE en 1994, a la hoy Gerencia de Procesos Térmicos, colaborando en la caracterización de fichas de atomización para centrales termoeléctricas mediante técnicas de difractometría láser. Actualmente trabaja en la Gerencia de Energías Renovables, en el desarrollo de tecnología de ensambles membrana-electrodos para celdas de combustible tipo PEM y Electrolizadores tipo PEM. Tiene diversas publicaciones en revistas nacionales e internacionales, es coautora de 3 patentes otorgadas, una en trámite y coautora de dos solicitudes de diseño industrial. Es miembro de la Sociedad Mexicana de Hidrógeno.

Tatiana Romero Castañón[[email protected]]

Doctora con especialidad en Celdas de Combustible por la Universidad de British Columbia, Canadá. Maestra en Energía con mención honorífica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Ingeniera Química por la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla (UPAEP). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en al año 2000 y actualmente está adscrita a la Gerencia de Energías Renovables. Desde 2009 pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI). Su actividad principal se enfoca al desarrollo de técnicas de caracterización electroquímicas y desarrollo de celdas de combustible con incorporación de nanomateriales. Colabora con la Gerencia

de Control e Instrumentación en el desarrollo de un método de control de humidificación para celdas de combustible a base de ultrasonido. Ha coordinado proyectos de colaboración internacionales con Canadá y Brasil, y ha participado en las reuniones de la Agencia Internacional de Energía representando a México en la sección de celdas de combustible. Cuenta con publicaciones en revistas científicas, participación en congresos internacionales. Es autora de 2 patentes otorgadas y coautora de dos solicitudes de diseño industrial.

Ulises Cano Castillo[[email protected]]

Doctor por la Universidad de Oxford, Inglaterra, en 1995. Ingeniero Químico Metalúrgico con Mención Honorífica, por la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1988. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) e investigador del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) desde 1988. Su principal área de interés ha sido la electroquímica y hoy su principal línea de trabajo es el hidrógeno y las celdas de combustible, línea de la cual es coordinador en el Área de Energías No Convencionales. Fue presidente y es miembro fundador de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno. Es miembro de diversas asociaciones profesionales y representa a México dentro del acuerdo de Celdas de Combustible Avanzadas de la Agencia Internacional de Energía y participa como miembro del Comité Ejecutivo del mismo. Ha sido profesor de algunos programas de posgrado en la UNAM y de cursos especializados sobre hidrógeno, y ha dirigido varios trabajos de tesis en estas

Los Alamos National Laboratory. Argonne and Los Alamos national laboratories team up to development more affordable fuel cell components. [En línea] www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2016/March/03.01-fuel-cell-components.pdf. March, 2016.

Beltrán M. Tesis de doctorado. Síntesis y caracterización de electrocatalizadores nanoestructurados y su aplicación en celdas de combustible a escala prototipo. Junio, 2016.

Berltrán M. G. et al. Energy 109. 446-455, 2016.

Divulgación

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áreas tecnológicas. Cuenta con numerosas publicaciones en revistas internacionales, así como participaciones en congresos y otros eventos nacionales e internacionales. Es autor de una y coautor de 4 patentes otorgadas, así como coautor de 2 solicitudes de diseño industrial.

Félix Loyola Morales[[email protected]]

Candidato a Doctor en Ingeniería, Maestro en Ingeniería con especialidad en Catálisis e Ingeniería de Reactores, e Ingeniero Químico por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 2010, a la División de Energías Alternas. Su área de especialidad es la generación de electricidad a partir de celdas de combustible de intercambio protónico. Su actividad principal se enfoca en el diseño, fabricación y caracterización de conjuntos de celdas de combustible, el diagnóstico de fallas en celdas a partir de mediciones de impedancia electroquímica, y el almacenamiento de energía a través del uso del vector energético hidrógeno. Actualmente trabaja en el diseño y fabricación de plantas de potencia basadas en celdas de combustible para aplicaciones de transporte utilitario y público, a través de proyectos de investigación aplicada públicos y contratados por la iniciativa privada. Ha participado en diversas conferencias nacionales como ponente y cuenta con diversos trabajos científicos en congresos nacionales e internacionales. Es autor de dos solicitudes de diseño industrial y miembro de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno desde 2007.

Manuel de Jesús López Pérez[[email protected]]

Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica con especialidad en Control Automático por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET). Ingeniero Electrónico con la especialidad en Control e Instrumentación por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez. Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 2014, División de Energías Alternas, a la Gerencia de Energías Renovables. Su área de especialidad se relaciona con la instrumentación, control, integración e interfaces de comunicación para sistemas relacionados con el aprovechamiento de energías renovables. Su actividad principal

se enfoca en el diseño y desarrollo de tarjetas electrónicas para la operación de generadores de energías renovables. Participó en el diseño y desarrollo del sistema de seguimiento solar automático (SiSSA) para concentradores solares de canal parabólico. Actualmente trabaja en el control e instrumentación de una planta de potencia de celdas de combustibles y de un extensor de autonomía para vehículos eléctricos de pasajeros y utilitarios. Es autor de varios artículos nacionales, así como de una patente.

Javier de la Cruz Soto[[email protected]]

Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por CINVESTAV, Unidad Guadalajara. Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el PGIIE del Instituto Tecnológico de Morelia. Ingeniero Electricista por el Instituto Tecnológico de Sonora. Catedrático-CONACYT, comisionado al INEEL en 2014 a la División de Energías Alternas. Su área de especialidad es el diseño y fabricación de turbinas eólicas de pequeña escala, llevando sus prototipos hasta las primeras fases de prueba. Cuenta con experiencia en el diseño electromagnético de máquinas eléctricas, motores, generadores, transformadores (alta y baja frecuencia), e inductores (alta y baja frecuencia). Hoy en día forma parte del grupo de celdas de combustible del INEEL, donde participa activamente en la integración y desarrollo de sistemas basados en esta tecnología. Es autor de artículos en congresos nacionales e internaciones, así como de artículos en revistas internacionales. Se ha desempeñado como docente en universidades nacionales en los niveles de licenciatura y posgrado.

Rosa María Félix Navarro[[email protected]]

Doctora en Ciencias en Química por el Instituto Tecnológico de Tijuana. Ingeniera Industrial Química, por el Instituto Tecnológico de Los Mochis. Realizó posdoctorado en San José State University. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) desde 2001 e investigador Titular “C” del Centro de Graduados e Investigación en Química del Instituto Tecnológico de Tijuana. Su principal área de interés ha sido la electroquímica y medio ambiente, hoy su principal línea de trabajo es la síntesis de nanomateriales para aplicaciones electroquímicas como: electrocatalizadores para celdas de combustible, desarrollo de sensores

de interés biológico y ambiental y en la remoción y destrucción de contaminantes del medio ambiente. Actualmente es Jefa del Centro de Graduados e Investigación en Química del Instituto Tecnológico de Tijuana y ha coordinado los programas de Doctorado y Maestría en Ciencias en Química del mismo Instituto. Ha publicado alrededor de 30 artículos en revista indexadas en JCR y ha sido responsable de 4 proyectos de investigación financiados por el CONACyT y 13 proyectos financiados por otros organismos como TNM, DGEST, COSNET. En cuanto a la formación de recursos humanos ha dirigido 3 tesis de doctorado, 9 de maestría, 13 de licenciatura y 4 de técnico superior universitario.

Mara Beltrán Gastélum[[email protected]]

Doctora en Ciencias en Química con mención honorífica por el Centro de Graduados e Investigación en Química (CGIQ) del Instituto Tecnológico de Tijuana (ITT). Maestra en Ciencias en Química por el CGIQ del ITT. Ingeniera Química por la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS), obteniendo el reconocimiento del 3er Lugar en aprovechamiento en la generación. Su principal área de investigación es la síntesis de novedosos materiales estructurados a escala manométrica para emplearlos en la generación y almacenamiento de energía, como celdas de combustible de hidrógeno y metanol. Tuvo una estancia de investigación internacional en el Centro de Investigación en Ingeniería Electroquímica (CEER) de la Universidad de Ohio (OU), bajo la supervisión de la Dra. Gerardine Botte. Cuenta con varias publicaciones en revistas científicas de alto impacto y diversas participaciones en congresos internacionales, con premios obtenidos, así como la formación de recursos humanos. Ha apoyado en docencia en la impartición de asignaturas del área de ingeniería. Actualmente, se encuentra realizando una estancia posdoctoral en el departamento de Nanoingeniería de la Universidad de California de San Diego (UCSD), bajo la supervisión del Dr. Joseph Wang.


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Aplicación de nanomateriales en el almacenamiento de energía

Leonardo Rejón García y Carlos Gustavo Azcárraga Ramos

AbstractCurrently, the Electricity Sector faces a lot of important challenges. One of the major ones is the integration of renewal energy sources to the network, maintaining or improving the efficiency, the availability, the reliability and safe operation of the transmission and distribution systems. In order to achieve those conditions, the smart grid approach has become mandatory. In this context, considering the instability conditions of the network, caused by the integration of renewal power sources, the scientific and technological community has proposed some alternatives, for example, the development of energy storage systems based on supercapacitors/ultracapacitors. The energy stored in supercapacitor banks is a suitable option to mitigate transients generated by the intermittence of photovoltaic and wind energy sources. According to this, nanotechnology could be a good option for the development, of material that can contribute to the improvement of the energy storage devices performance.

Tendencia tecnológica

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Introducción

En la actualidad, el sector energético enfrenta una gran cantidad de retos, entre los cuales se encuentra la integración de la energía eléctrica producida por fuentes renovables a la red de suministro, además de mantener la eficiencia, disponibilidad, confiabilidad y seguridad de los procesos de transmisión y distribución de la energía eléctrica. Para su atención se hace vital la implantación de redes eléctricas inteligentes. En este contexto y considerando las situaciones de inestabilidad de la red eléctrica por la integración de energía proveniente de fuentes renovables, las comunidades científicas y tecnológicas proponen algunas alternativas, entre las cuales se encuentra el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía basado en supercapacitores/ultracapacitores. Esta elección se basa en la rapidez con lo que estos sistemas pueden almacenar energía y las miles de veces que pueden realizar el proceso de carga-descarga. La energía almacenada en un banco de ultracapacitores es una opción viable para mitigar los efectos transitorios generados por la intermitencia de la generación de energía eléctrica, a través de su inyección a la red cuando la generación no sea suficiente para cubrir la demanda, sin embargo, este tipo de dispositivos, a diferencia de las baterías convencionales, presentan baja densidad de energía, lo cual representa un reto para lograr el desarrollo de dichos dispositivos. Adicionalmente, es claro que los

ultracapacitores podrían ser aplicados también como sistemas de almacenamiento para la industria automotriz y doméstica. Para lograr lo anterior es necesario afrontar varios retos (Kousksou et al., 2014; Goodenough, 2015; ec.europa.eu), entre ellos, lograr que estos sistemas presenten altas capacitancias a altos voltajes (kV). Ambas variables son proporcionales a la capacidad de carga. Hoy en día se destina una gran cantidad de recursos económicos al desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía proveniente de fuentes renovables (utilitiesnetwork.energy-business-review.com; ec.europa.eu). Con base en lo antes expuesto, el sistema de almacenamiento ideal sería un dispositivo que tenga una carga rápida y tiempos de descarga acorde a las necesidades del sistema, alto número de ciclos, alta densidad de potencia y de energía.

Sistemas de almacenamiento utilizando Nanomateriales

Con la finalidad de mejorar el desempeño de los dispositivos de almacenamiento de energía, los esfuerzos que se realizan actualmente están dirigidos hacia el empleo de la nanotecnología para el desarrollo de supercapacitores/ultracapacitores empleando nanomateriales, entre los cuales se encuentran: óxidos metálicos, nitruros metálicos, nanotubos de carbono y grafenos (Lu et al., 2016). Estos materiales presentan ventajas como pseudocapacitancia (reacciones reversibles de óxido-reducción rápidas), alta

Figura 1. Componentes de un ultracapacitor.


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conductividad, y área superficial. Sin embargo, un solo nanomaterial no presenta las propiedades ideales requeridas para el desarrollo del supercapacitor/ultracapacitor ideal. A continuación damos una revisión de las publicaciones más reciente en esta área.

Maher F. El-Kady y colaboradores (Maher et al., 2012) utilizaron películas de óxido de grafito para obtener grafeno. La película obtenida mostró alta conductividad eléctrica (1739 S y área superficial 1520 m2/gr) y se utilizaron para la fabricación de electrodos en capacitores electroquímicos. Los capacitores fabricados exhibieron valores muy altos de densidad de energía con diferentes electrólitos, manteniendo alta potencia y excelente estabilidad en los ciclos. En otro trabajo (Maher et al., 2013) se reportaron valores de densidad de potencia del orden de 200 W cm-3, considerada como una cantidad muy grande para un supercapacitor. Wei Chen y colaboradores (Chen et al., 2015) desarrollaron un proceso para fabricación de supercapacitores basados en electrodos de Grafeno-polianilina, con los que la densidad de energía obtenida fue del orden de 52.5 W h L-1 y una de potencia de 6037 W L-1, con estabilidad electroquímica durante más de 10,000 ciclos. Yan Huan y colaboradores (Huang et al., 2015), desarrollaron un supercapacitor auto restaurable y altamente elástico basado en un electrolito reticulado, favoreciendo la transferencia de iones desde el electrolito hacia la superficie de los electrodos y con ello

el desempeño del supercapacitor. Los polímeros Nanocompuestos, pueden ser una buena opción para incrementar la capacidad de almacenamiento de dispositivos eléctricos y electrónicos, solo con modificar su estructura a una del tipo microcelular, logrando material de alta permitividad y bajas pérdidas (Aboutaleb et al., 2015).

Con la finalidad de incrementar la capacidad de almacenamiento de energía de supercapacitores híbridos, Maher F. El-Kady y colaboradores (Maher et al., 2015) realizan un estudio del desempeño de estos dispositivos empleando Grafeno y MnO2 para la fabricación de los electrodos, obteniendo capacitancias en electrodos híbridos del orden de 1,100 F cm -3, y densidades de energía entre 22-42 W h L-1, que dependen de la configuración del dispositivo. Estos supercapacitores híbridos utilizan electrolitos acuosos. Lei Li y colaboradores (Lei et al., 2015) proponen el desarrollo de microsupercapacitores seudocapacitivos utilizando un Grafeno inducido por láser como material para fabricación de los electrodos, a los cuales se les electrodeposita materiales seudocapacitivos como MnO2 y polianilina, entre otros. Los resultados son promisorios para tomarlos como una posible vía para el desarrollo de Microsupercapacitores flexibles de estado sólido, para aplicaciones en dispositivos electrónicos. Recientemente Zhiqiang Niu y Figura 2. Estructura de Grafeno con defectos.


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colaboradores (Zhiqiang et al., 2015) proponen una serie de estructuras para la fabricación de supercapacitores flexibles, en donde los electrodos son construidos con nanotubos de carbono (NTC), Grafenos (G), NTC/G, NTC/polímeros conductores, G/polímero conductor y otras combinaciones. La ventaja de estos materiales es que se puede controlar su morfología y con ello aumentar el área interfacial, incrementado la posibilidad de mayor acumulación de cargas y con ello la densidad de carga del microsupercapacitor. En esta misma dirección, P. Huang y colaboradores (Huang et al., 2016) proponen un proceso a escala tipo oblea utilizando películas de carbón y colectores de carburo de titanio, obteniendo capacitancias del orden de 410 F cm-3. Changrong Zhu y colaboradores (Changrong et al., 2015), evalúan el desempeño de supercapacitores asimétricos de estado sólido utilizando como substrato para la fabricación de electrodos Grafeno recubiertos con nitruros metálicos y el electrolito en estado sólido. Los nitruros metálicos permitieron obtener estructuras porosas que impactaron en la estabilidad en los valores de densidad de energía y potencia después de realizar 20,000 ciclos de carga-descarga. Jian Li y colaboradores (Jian et al., 2014), evalúan las propiedades de un Nanocompuesto basado en Grafeno/NTC, de cadena simple, para ser empleado como electrodo en un ultracapacitor. Sus resultados mostraron que la mezcla Grafeno/NTC presenta un efecto

sinergético ya que la capacitancia resultó tres veces mayor comparada con aquellos ultracapacitores fabricados con NTC. Otra opción analizada es el empleo de tela de carbón activado en capacitores de doble capa y supercapacitores (Chunhong et al., 2016). Para incrementar la densidad de energía y de potencia del supercapacitor, la resistencia de contacto entre la tela de carbón y la hoja de aluminio utilizada como colector de corriente se redujo a través de la modificación superficial de dicha hoja. Otra modificación estudiada fue la aplicación de una película de Grafeno sobre la tela de carbón activado, mostrando un incremento en la capacitancia y en la resistencia interna. Los trabajos recientes muestran una tendencia clara hacia el empleo de Grafeno como elemento primordial para la fabricación de electrodos en ultracapacitores (Wei et al., 2016).

Recientemente, dentro del Foro Mundial de Economía (WEF, 2016) se presentaron las diez principales tecnologías emergentes, siendo una de ellas el desarrollo de la nueva generación de baterías. En ella se pone de manifiesto la necesidad de contar con sistemas de almacenamiento más accesibles, escalables y seguras a las hoy actualmente disponibles (litio). Proponiendo aquellas basadas en sodio, aluminio y zinc. Otra opción que ya se está empleando son las fabricadas con zinc-aire.

Con base en lo antes expuesto y considerando que es necesaria una flexibilidad entre la demanda y el suministro de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables, se visualiza por ejemplo en Europa que los sistemas de almacenamiento de energía pueden dar dicha flexibilidad (Bussar et al., 2016) y de esta forma dar estabilidad a la red eléctrica. Por tal razón es de interés estratégico del INEEL el desarrollar proyectos en esta dirección en colaboración con instituciones de educación superior nacionales y del extranjero, involucrando al sector industrial principalmente al nacional con la finalidad de enfrentar los retos que se presentan para el desarrollo de tecnologías eficientes y sustentables para el almacenamiento de energía. Entre dichos retos están: desarrollar materiales con mayores capacitancias a los hoy disponible basados en nanotecnología, que permitan la fabricación de sistemas de


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almacenamiento robustos como ultracapacitores con alta densidad de energía y resistencia a la degradación (mayores ciclos). Además del desarrollo de electrolitos en estado sólido para la obtención de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica sustentable. Es importante mencionar que esta tecnología es aplicable para almacenamiento de energía eléctrica de otras fuentes y su empleo se extiende hacia la industria de movilidad. La batería ideal hoy no está disponible.

Referencias

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Figura 3. Ultracapacitor.


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Currículum vítae

Leonardo Rejón García[[email protected]]

Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1998. Maestro en Ingeniería Química por al Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1990. Ingeniero Químico por la Universidad Veracruzana en 1986. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1989 como investigador en el Departamento de Materiales. En septiembre de 2001 fue nombrado Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, cargo que desempeñó hasta julio de 2010. En ese mismo año inició su colaboración en la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde ha contribuido a través de la dirección y participación en proyectos relacionados con el desarrollo de metodologías para la gestión del mantenimiento de activos basado en condición, impulsando esta línea hacia el área de máquinas rotatorias. Asimismo ha tomado el liderazgo en la formación de un grupo de investigación aplicada en el desarrollo de sistemas de monitoreo de la calidad del aislamiento de equipo eléctrico primario, utilizando la nanotecnología. Ha publicado más de veinte artículos en revistas arbitradas y ha generado propiedad intelectual a través del otorgamiento de patentes, secretos industriales y derechos de autor relacionados con el desarrollo de materiales aislantes y semiconductores basados en polímeros y nanacompuestos, reología y relajación dieléctrica de dispersiones y emulsiones. Es miembro del comité de evaluación de proyectos del CONACYT y del comité de revisión por pares de las revistas Polymer Engineering Science, Journal Applied Polymer Science, Material Science and Technology, entre otras. Fue asesor huésped en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de 1989 a 1993 como candidato a investigador y de 1998 a 2012 como investigador nivel 1. Es miembro del Sistema Estatal de Investigadores (SEI-Morelos).

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos[[email protected]]

Doctor en Ingeniería Electrotécnica por la Universidad de Bolonia, Italia en 2014. Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con mención honorífica por la SEPI-ESIME del Instituto Politécnico Nacional en 2004. Licenciatura en Ingeniería Electromecánica con honores por el Instituto Tecnológico de Zacatepec en 1995. Después de participar en el programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT) en 1997 fue contratado por la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas, para el desarrollo de técnicas de alta sensibilidad para el diagnóstico de transformadores de potencia y equipo primario de subestaciones. Ha representado al Instituto en diversos foros nacionales e internacionales. Fue el representante mexicano en el Comité SC A3 High Voltage Equipment de Cigré de 2009 a 2014. Es autor y coautor de más de 30 artículos técnicos relacionados con la evaluación del sistema dieléctrico de equipos de alta tensión. Ha impartido cátedras relacionadas con sus intereses técnicos en la Universidad Cuauhnáhuac, la Universidad Fray Luca Paccioli, la Universidad Morelos y el Centro de Posgrado del Instituto. Sus temas de investigación actual incluyen las técnicas de diagnóstico de equipo de alta tensión, transitorios electromagnéticos, descargas parciales y técnicas numéricas para la solución de campos electromagnéticos.


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Estrategias para la inspección y calificación de la corrosión en

cimentaciones de líneas de transmisiónJosé María Malo Tamayo, José Antonio Ramón Muñoz Ledo Carranza

y Daniel Fernández Rodríguez

Abstract

Corrosion in foundations of electric transmission towers take place at the structure-soil contact, can affect the useful life of these assets and has economic significance due to maintenance costs of repairs and disruption of the electrical service. Currently used methods are discussed as well as the advantages of two advanced methods, electrochemical and ultrasonic based, which are described as they are tested in structures belonging to CFE´s national electric system.

Artículo técnico

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Introducción

Una preocupación común a estructuras enterradas o sumergidas es el diagnóstico de su integridad por degradación por corrosión frente a ambientes agresivos. Es el caso de ductos y tanques enterrados, muelles y plataformas sumergidas, así como el de cimentaciones de todo tipo.

Particularmente, en el caso de estructuras enterradas, es deseable contar con métodos de inspección y diagnóstico que no requieran de una excavación y que puedan emitir un diagnóstico a nivel de la superficie usando métodos no destructivos.

La corrosión en una estructura de líneas de transmisión se presenta de diferentes formas de acuerdo al ambiente con el cual entra en contacto. Es corrosión atmosférica en su parte expuesta al aire y esta relacionada con las variables del clima como la precipitación y la humedad relativa. La corrosión en la sección enterrada de la cimentación está relacionada con las propiedades del suelo, tal como las especies químicas presentes, la acidez y la resistividad eléctrica del suelo. La corrosión en suelos no guarda relación con la corrosión atmosférica, son independientes. Una estructura que guarda un buen estado en la zona aérea, no implica que su cimentación tenga también un buen estado. Es el caso del norte del país, donde a menudo se encuentran pocas manifestaciones de corrosión en la

sección a la vista (clima seco) y alta/media corrosión en la sección enterrada.

Es sabido que la velocidad de corrosión de un suelo está estrechamente relacionada con la resistividad eléctrica del terreno de la manera que se señala en la tabla 1, por ello este tipo de edición, debido a la facilidad de obtención en campo, es la manera más frecuente de evaluar la agresividad de un suelo. La resistividad de un terreno depende de su estructura, de las dimensiones de sus partículas constituyentes, de su porosidad y permeabilidad, del contenido de agua (humedad) y de su contenido de iones que a menudo son especies agresivas a los metales. Es evidente, por tanto, que la resistividad de un terreno y especialmente la de los estratos superiores puede variar notablemente con las estaciones del año, la precipitación pluvial, la actividad agrícola e industrial, entre otros. Por ejemplo, en lo que se refiere a un suelo arcilloso con un 5% de humedad, puede presentar una resistividad de 10,000 ohm-m, en cambio, con un 20% de humedad, la resistividad disminuye hasta 100 ohm-m. Otras propiedades que otorgan un carácter agresivo a un suelo son: la presencia de cloruros o iones cloro que debilitan barreras que los metales tratan de formar frente a un ambiente- Otras especies como los sulfatos son dañinos para los concretos. Los suelos muy ácidos (pH <5.5) que pueden motivar una rápida corrosión del metal y aumenta con el incremento de la acidez (disminución del pH). La mayor parte de los suelos tienen pHs comprendidos entre

Tabla 1. Relación entre propiedades fisicoquímicas de un suelo y la corrosión de un metal.

Resistividad de suelos(ohm - cm)

Cloruros(ppm)

pH Grado de corrosividad

0- 500 > 5,000 < 5.5 Muy corrosivo

500 - 1000 1,500 - 5000 5.5 - 6.0 Corrosivo

1000 - 2000 500 - 1,500 6.0- 6.5 Moderadamente corrosivo

2,000 - 10,000< 500

6.5 - 7.5 Levemente corrosivo

< 10,000 > 7.5 Despreciable


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5.0 y 8.0, en cuyo caso la corrosión depende de otros factores.

Los materiales estructurales

En el caso de las cimentaciones de torres, típicamente se pueden presentar tres tipos de materiales metálicos: acero al carbono, galvanizado y cobre, en orden de menor a mayor resistencia anticorrosiva. El cobre se presenta en la red de tierras. En el caso del galvanizado se trata de una película de cinc que protege al acero. La película de cinc también sufre corrosión, cuando se agota da paso al material base, el acero al carbono.

El galvanizado y el acero presentan un potencial electroquímico característico, medido respecto a un electrodo de referencia, comúnmente de cobre/sulfato de cobre. En una serie galvánica el cobre es el material más electropositivo o más noble, con valores de 0 mV o más positivo. El acero puede tener alrededor de -500 mV y el galvanizado -1000 mV.

Cuando un metal está en contacto con otro y comparten un electrólito, se forma un par galvánico y se presentan valores intermedios, como se puede ver en la figura 1.

La zona intermedia o de transición corresponde a una zona donde el galvanizado se ha consumido parcialmente y al mismo tiempo, se van descubriendo zonas de acero. Por ello, esta zona presenta potenciales con valores entre los del galvanizado y el del acero, de acuerdo a la proporción superficial que se tenga de cada uno.

Figura 1. Potenciales característicos de los materiales estructurales.

Artículo técnico

123

Estrategias para la inspección y calificación de la corrosiónTomando en cuenta los argumentos anteriores se pueden distinguir dos enfoques para abordar la problemática de corrosión: uno que evalúa directamente la condición de la cimentación en sitio y otro en que se evalúan las propiedades del suelo a partir de lo cual se infiere su agresividad y posible impacto sobre la cimentación (tabla 2).

El segundo enfoque ha llevado al desarrollo de herramientas como el Mapa Nacional de Corrosión de Suelos del INEEL (antes IIE), que no es objeto de este trabajo. En las siguientes secciones únicamente se revisa el primer enfoque, resaltando sus ventajas y limitaciones.

Enfoque directo: Inspección de cimentacionesUn primer aspecto a considerar en la inspección directa de cimentaciones es que se presentan dos tipos de estructuras. Una es la de acero o tipo parilla, donde elementos estructurales de acero galvanizado son enterrados directamente en el suelo. Cuando las condiciones de agresividad del suelo medidas a través de su resistividad indican un suelo agresivo, esta estructura deberá contar con protección adicional en forma de un recubrimiento o incluso protección catódica en casos extremos [1]. El otro

Tabla 2. Enfoques de inspección de cimentaciones.

Enfoque Método Ejemplos de técnicas

Directo Medición de actividad de corrosión del metalMedición de integridad estructural

Potencial estructura-sueloUltrasonido

Indirecto Propiedades físicas y químicas del suelo Resistividad eléctrica del suelopH, Cl-

caso, son las cimentaciones de concreto, de las que se asume una mayor resistencia a la corrosión y que desde el punto de vista de los materiales introduce acero de refuerzo en el concreto junto con elemento de acero galvanizado.

El método de potenciales. La importancia de la colocación del electrodo de referencia

El procedimiento existente (CFE D8CME-07) propone la colocación del electrodo de referencia cerca de la estructura (10 cm aproximadamente) apoyado en el suelo. El alcance de esta medición corresponde a la interfase estructura-suelo, por lo tanto, la información obtenida es sobre esa región y no informa sobre la actividad de corrosión en secciones más profundas. La manera propuesta para evaluar secciones de cimentaciones más profundas consiste en alejar el electrodo de referencia a una distancia equivalente a la profundidad de la cimentación. Esta medición representa el potencial del total de la cimentación enterrada. A partir de la comparación de los potenciales el método propuesto por el IIE permite valorar la uniformidad de la corrosión con la profundad (tabla 3).

Tabla 3. Criterios de distribución de la corrosión (Eint = Potencial en interfase, Ealej = Potencial alejado de la estructura).

Diferencia de potencialDistribución de la corrosión /

Uniformidad

-30 > ΔE = Eint-Ealej Predominante en interfase

-30 < ΔE < 30 Uniforme

ΔE > 30 Predominante abajo


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El criterio de potenciales. Cimentaciones de concreto

Los dos tipos de cimentaciones, tipo parilla y concreto, presentan ambientes enteramente diferentes para el desempeño del acero. En la cimentación tipo parilla el contacto del acero es directamente con el suelo, que presenta una acidez típicamente en un intervalo de 5 a 8, que junto con el tipo y concentración de especies químicas, promoverá la formación de barreras formadas por productos de corrosión compactos y protectores o muy porosos.

En el caso de las cimentaciones de concreto el acero se encuentra en un ambiente de pH = 12, que es muy alcalino y que favorece la pasivación del metal y la formación de

productos de corrosión protectores. El método de la ASTM para inspeccionar el concreto corresponde a estructuras al aire, tal como techumbres y columnas no enterradas ni sumergidas. Los potenciales de referencia se muestran en la primera columna de la tabla 4.

Estos criterios han sido utilizados en la inspección de cimentaciones de concreto, señalando equivocadamente estructuras con corrosión, que en realidad están en buen estado, debido a que una cimentación es una estructuras enterrada y tienen una marcada ausencia de oxígeno, O2, y la reacción catódica de corrosión (2O2+4H20+ 4eà 4OH-) lentamente se presenta, lo que da lugar a un desplazamiento del potencia hacia valores más negativos. Por esta razón es necesario desplazar los criterios potenciales de actividad de corrosión a valores más negativos para obtener un diagnóstico coherente, como se muestra en la columna derecha, tabla 4.

El método de ultrasonido eco-impacto

El método del ultrasonido es utilizado para la prueba de los materiales. Es una técnica de ensayo no destructivo (END) y tiene diversas aplicaciones, en especial para conocer el interior de un material o sus componentes según la trayectoria de la propagación de las ondas sonoras. Al procesar las señales de las ondas sonoras se conoce el comportamiento de las mismas durante su propagación en

Tabla 4. Potenciales de inspección de concreto.

Potenciales ASTM[3] CorrosiónPotenciales INEEL

estructuras enterradas

E > -200 mV 90 %probabilidad de ausencia de corrosión E >-350

-350 < E <-200 Transición entre corrosión y protección -450 < E <-350

-350 > E 90% probabilidad de corrosión -450 > E

Artículo técnico

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el interior de la pieza, y dependen de las discontinuidades del material examinado, lo que permite evaluar aquellas acerca de su forma, tamaño, orientación, debido que la discontinuidad opone resistencia (conocida como impedancia acústica) al paso de una onda. El ultrasonido que se emplea en los ensayos no destructivos para detectar discontinuidades tanto en la superficie como en el interior de los materiales, son una forma de energía vibrante que tiene el siguiente rango: 10 a 20,000 Hz ondas sonoras y > 20,000 Hz ultrasonido.

Para el método del INEEL (antes IIE) se desarrolló un programa de cómputo para la aplicación de inspección de concreto basado en un ambiente Labview de National Instruments. Este programa maneja un osciloscopio (NI USB 5132) que permite adquirir

Figura 2. Ejemplos de señales típicas de estructuras de concreto con buena (arriba) y baja (abajo) integridad.

hasta 50 Mega muestras por segundo. Éste se acopla a un acondicionador de señales que a su vez recibe una señal de un acelerómetro. Para inducir la vibración se utiliza un golpe de martillo con un umbral de más de 500 mV (figuras 2 y 3). Las frecuencias características pueden ser desplegadas en un espectro de potencia mediante el tratamiento de los datos con una Transformada Rápida de Fourier (FFT) para su análisis.

Con base en la señales de estructuras cuya integridad es conocida, ha sido posible clasificar patrones de señales y reconocer frecuencias características que corresponde a materiales con diferentes grados de integridad. De esta manera, señales de ultrasonido de estructuras desconocidas pueden ser identificadas mediante métodos de inteligencia artificial que reconocen los patrones característicos.

Los métodos descritos han sido probados en más de 300 estructuras en las nueve Gerencias Regionales de Transmisión de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), algunas de las cuales han sido seleccionadas para corroborar su estado mediante excavaciones.


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Conclusiones

Métodos alternativos, electroquímicos y ultrasónicos, pueden ser utilizadon en la inspección y diagnóstico de cimentaciones de estructuras de líneas de transmisión, mejorando la capacidad predictiva de los métodos tradicionales en uso.

ReferenciasCFE D8CME-07. Protección Anticorrosiva para cimentaciones autosoportadas de Líneas de Transmisión. Especificación.

Proyecto 14301. Desarrollo y prueba de métodos alternativos de inspección de la integridad de cimentaciones de líneas de transmisión. IIE/04/15/14301/I001/P/DC.

ASTM C876-09. Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo recibido de la Gerencia de Líneas de Transmisión de la Subdirección de Transmisión de la CFE, a través de proyectos realizados desde 2011 que permitieron probar y corroborar las predicciones de los métodos propuestos en más de 300 estructuras en las diferentes regiones del país.

Figura 3. Se acopla el acelerómetro a las estructura y se golpea con un mazo, registrando la señal ultrasónica, quedando en la memoria de la computadora para su análisis.

Artículo técnico

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Currículum vítae

Daniel Fernández Rodríguez

[[email protected]]

Maestro en Metalurgia e Ingeniero en Metalurgia y Materiales por el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Desde 2013 es investigador en la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) antes Instituto de Investigaciones Eléctricas. Ha participado en el desarrollo de proyectos relacionados con la prevención y protección de la corrosión y la inspección de la integridad de los materiales, utilizando diferentes técnicas como ensayos no destructivos, electroquímicos y también a través del uso de vehículos aéreos no tripulados para la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

José María Malo Tamayo[[email protected]]

Doctor en Filosofía en Corrosión y Protección por la Universidad de Manchester, Inglaterra. Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM). Actualmente es investigador en la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas, donde ha laborado durante 26 años. Durante 10 años estuvo vinculado al Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) en investigación básica y electroquímica. Desde 1986 está adscrito al Instituto, donde ha desarrollado proyectos de protección catódica, corrosión interior de ductos y tanques de almacenamiento de hidrocarburos, el monitoreo de corrosión en línea y en el desarrollo de métodos de inspección de líneas de transmisión.

José Antonio Ramón Muñoz Ledo Carranza[[email protected]]

Doctor con especialidad en Fisicoquímica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Maestro y Licenciado en Ingeniería Metalúrgica por la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en octubre de 1982. Actualmente labora en la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, donde participa en proyectos de investigación relacionados con el tratamiento lavado ácido de calderas, ensayos no destructivos, corrosión y cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero, y estimación de certificados de carbono a partir del programa de Mecanismo de Desarrollo Limpio. Participó en los cálculos de Inventarios de Gases Efecto Invernadero (GEI´s), los dos estudios país sobre Cambio Climático y los Comunicados Nacionales correspondientes, el Latin America regional workshop on greenhouse gas emission inventories and mitigation options, realizado en Isla Margarita Venezuela. Ha participado como autor y coautor de libros, y una metodología para la aplicación de los MDL (Mecanismo de Desarrollo Limpio/Protocolo de Kioto) a Nivel Iberoamericano. Tiene varios artículos refereados y ha participado en ponencias en Estados Unidos, Sudamérica y Europa. Tiene 11 derechos de autor, nueve tesis dirigidas y ha participado en más de 50 comités revisores de tesis.


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Desarrollo de varistores cerámicos para apartarrayos

Mario Román Díaz Guillén y Francisco Arturo López González

AbstractIn this paper is presented a description of chemical formulation and manufacturing process of ceramic varistor for surge arrester optimization carried out by Materials and Chemical Processes Department of National Institute of Electricity and Clean Energy. The results show that by this optimization is possible to manufacture varistors Class I (5kA-3kV) with electrical properties analogous to commercial varistors.

Artículo técnico

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Introducción

Los varistores basados en óxido de zinc (ZnO) son componentes cerámicos policristalinos cuya función principal es detectar y limitar transitorios de tensión, y hacerlo repetidamente sin ser destruidos (Gupta, 1990). Son los elementos constitutivos de los apartarrayos, que son los dispositivos destinados a proteger las líneas de suministro eléctrico frente a sobretensiones originadas por descargas atmosféricas (figura 1). De hecho se les denomina comúnmente el “corazón” de los apartarrayos, por la gran importancia que tienen para estos dispositivos.

Esencialmente, un varistor es un resistor de impedancia variable que presenta un comportamiento no lineal Voltaje-Corriente (V-I) (figura 2), el cual se origina en una microestructura funcional con características bien definidas. Cuando un varistor se somete a transitorios de tensión, su impedancia cambia varios órdenes de magnitud desde un estado cercano a un circuito abierto (resistencia muy elevada) a un nivel altamente conductor. Así, la energía potencialmente destructiva del transitorio de tensión incidente es entonces absorbida por el varistor, que de esta forma protege los componentes vulnerables del sistema. Una vez eliminada la amenaza, el voltaje regresa a su valor habitual y el material recupera su estado altamente resistivo, evitando pérdidas innecesarias de corriente. En ausencia de transitorios

de tensión el varistor actúa como un elemento pasivo que no influye en el funcionamiento normal del sistema que protege.

El contenido de ZnO en este tipo de elementos es de aproximadamente el 90% en peso del total del varistor y el resto de componentes comprende una mezcla de óxidos

Figura 1. Representación gráfica de una descarga atmosférica (centro), vista seccionada de un apartarrayos (izquierda) y varistores cerámicos comerciales de distintos tamaños (derecha).

Figura 2. Curva característica (V-I) de un varistor cerámico basado en ZnO. Se pueden distinguir tres regiones diferenciadas en la curva: la región I de pre-encendido, en la cual la intensidad de corriente que circula a través del material (corriente de fuga), es función de la temperatura; la región II, altamente no lineal y en la cual la resistividad del varistor desciende abruptamente varios órdenes de magnitud, permitiéndole conducir grandes densidades de corriente y la Región III de altas corrientes, donde el varistor vuelve a tener un comportamiento lineal.


130

metálicos, en los que principalmente figuran el óxido de antimonio, óxido de bismuto, óxido de cobalto y óxido de manganeso. Una propiedad fundamental de los varistores elaborados con óxido de zinc es que las características eléctricas finales están relacionadas estrechamente con la microestructura del material, ya que cada grano de ZnO actúa como una unión semiconductora en el límite de grano. De hecho, el origen de la no linealidad se atribuye a la presencia de barreras electrostáticas localizadas en las fronteras de grano ZnO-ZnO (figura 3).

En la actualidad, los varistores basados en óxido de zinc compiten en el mercado global en diferentes campos de aplicación (Clarke, 1999) siendo una de las más importantes la tecnología de alto voltaje. En este tipo de tecnología, los dispositivos utilizados son típicamente cilindros de gran tamaño, de entre 3 y 6 cm de altura y entre 3 y 8 cm de diámetro (figura 1 derecha), cuyo comportamiento eléctrico está gobernado, en última instancia, por cada uno de los miles de bordes o fronteras de grano que se encuentran en su interior.

A pesar del descubrimiento de este tipo de materiales a principios de los años 70 (Matsuoka, 1971) y al avance tecnológico registrado desde entonces, numerosos aspectos básicos relacionados con su microestructura funcional siguen siendo discutidos al día de hoy debido fundamentalmente a la complejidad química y física del sistema. Es por todo ello que actualmente se llevan a cabo una gran cantidad de esfuerzos científicos que permitan entender los fenómenos químicos, electrónicos, y estructurales que tienen lugar en torno a las particulares propiedades eléctricas de estos componentes así como para aportar un mayor conocimiento sobre los distintos mecanismos que se esconden tras la adición de cada componente. Lo anterior, con la finalidad de lograr el refinamiento de su procesamiento y la optimización de su composición ya que muchos aspectos de esta optimización aún se encuentran sometidos a numerosos parámetros experimentales.

Fabricación de varistores en México

Actualmente, en México existen importantes empresas de base tecnológica, que fabrican apartarrayos de distintas capacidades, las cuales manufacturan o adquieren en el país la mayoría de los elementos y/o materiales que conforman el apartarrayo, sin embargo, dentro de los elementos que importan se encuentran los varistores los cuales provienen principalmente de China que es un país donde se ha tenido un importante avance tecnológico en el tema (Shengtao, 2015). Por lo tanto, se vuelve fundamental y punto clave para estas empresas contar con la tecnología y el conocimiento necesario que les permita fabricar sus propios varistores y así poder competir en el mercado global. Atendiendo a lo anterior, la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias en conjunto con una de estas empresas de base

Figura 3. Representación esquemática transversal de la microestructura de un varistor de ZnO en donde se observan los granos y las fronteras de grano, responsables del comportamiento no lineal.

Artículo técnico

131

tecnológica acordaron realizar un proyecto que permitiera obtener varistores Clase I (5kA-3kV) a nivel laboratorio, para posteriormente escalar el proceso a nivel planta piloto y finalmente a nivel industrial. Para dicho proyecto se planteó optimizar la formulación del varistor así como el proceso de fabricación y llevar a cabo su caracterización eléctrica y microestructural, que es precisamente lo que se reporta en el presente artículo.

Desarrollo experimental

Para llevar a cabo la fabricación de varistores Clase I, inicialmente se realizó un estudio de las variables involucradas en un proceso cerámico tradicional de fabricación, posteriormente se llevó a cabo la optimización de la formulación y finalmente se llevaron a cabo la fabricación de los varistores Clase I y su caracterización microestructural y eléctrica. A continuación se describe en términos generales el desarrollo experimental de cada una de estas etapas.

Proceso de fabricación de varistores a nivel laboratorio

El proceso cerámico tradicional para obtener varistores incluyó 6 etapas tal y como se muestra en la figura 4. En cada una de estas etapas se estudió el efecto de las principales variables involucradas en las propiedades finales de los varistores con la finalidad de optimizar cada una de ellas. Inicialmente se fabricaron varistores a nivel laboratorio de 20 mm de diámetro por 7 mm de espesor mediante los cuales se logró optimizar el proceso de fabricación. Finalmente se llevó a cabo la fabricación de varistores de tamaño comercial de 30 mm de diámetro y 20 mm de espesor y se optimizaron los parámetros necesarios en las etapas del proceso de fabricación.

Optimización de la formulación

Para llevar a cabo la optimización de la formulación, inicialmente se llevó a cabo la reproducción de una formulación desarrollada en el INEEL (antes IIE) en los años 90s y se fabricaron varistores a nivel laboratorio. La formulación incluyó óxido de zinc, bismuto, antimonio, manganeso, cromo, cobalto, silicio y níquel, todos ellos de alta pureza. Posteriormente y basados en los resultados obtenidos, se llevó a cabo un estudio del efecto, por separado, del contenido de cuatro de los componentes (óxidos metálicos) sobre sus propiedades eléctricas finales. Finalmente, y una vez optimizados lo componentes estudiados, se obtuvieron varistores Clase I mediante el proceso de fabricación anteriormente definido.

Figura 4. Etapas del proceso cerámico tradicional utilizado para fabricar varistores Clase I.


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Caracterización de varistores

Para llevar a cabo la optimización tanto del proceso de fabricación como de la formulación, se realizaron distintas pruebas de caracterización de los varistores entre las que se incluyeron: Distribución de tamaño de partícula mediante laser, Difracción de Rayos-X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), Microanálisis por Dispersión de Energías de Rayos-X (EDX), Microscopía Óptica, Determinación de la densidad mediante el método de Arquímedes, Termografía, Efecto Corona, Pruebas de Voltaje-Corriente (V-I) e Impedancia así como Pruebas de Impulso de Corriente de hasta 65 kA.

Resultados

Después de haber optimizado el proceso de fabricación así como la formulación, se fabricaron y caracterizaron varistores Clases I (5kA-3kV) y los resultados obtenidos de la caracterización se presentan a continuación:

Como se mencionó anteriormente los varistores tienen una composición química compleja que implica un sistema multicomponente constituido por un conjunto de óxidos con propiedades físico-químicas muy diferentes y además, sus características eléctricas están relacionadas estrechamente con la microestructura final del material, la cual se forma principalmente durante la etapa de

sinterizado. A pesar de que existe una cierta variedad en la composición y métodos de fabricación de los varistores, la microestructura de estos componentes presenta habitualmente las mismas fases cristalinas. De acuerdo a la literatura, en un varistor basado en el sistema ternario ZnO-Bi2O3-Sb2O3 más ciertos óxidos metálicos adicionales, como en nuestro caso, la microestructura de material sinterizado está constituida por una fase mayoritaria de ZnO, una fase secundaria compuesta por zinc y antimonio y con estructura tipo espinela, y diferentes fases ricas en bismuto (Olsson,1993). En la figura 5 se presenta un patrón de difracción de rayos-X, correspondiente a un varistor Clase I fabricado en el Instituto, donde se puede observar que efectivamente las tres fases principales identificadas en dicho patrón corresponden a las reportadas en la literatura y las cuales son necesarias para obtener una microestructura funcional. La identificación de las fases presentes en el varistor se llevó a cabo mediante comparación del patrón de difracción con los recogidos en la base de datos del ICDD por sus siglas en inglés (International Centre for Diffraction Data).

Adicionalmente a las fases presentes en la microestructura de un varistor, el tamaño de grano de ZnO tiene un papel fundamental en sus características de no linealidad. De hecho, el voltaje de ruptura el cual determina el campo de aplicación del dispositivo (figura 2) o voltaje a partir

Figura 5. Patrón de difracción de rayos-X correspondiente a un varistor Clase I fabricado en el INEEL y en donde se incluye la identificación de las principales fases presentes.

Artículo técnico

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de V-I correspondientes a un varistor comercial así como la de un varistor fabricado en nuestras instalaciones. Se puede observar que el voltaje de ruptura para el varistor fabricado por nosotros es mayor que el obtenido para el varistor comercial, con valores de 1.9 y 1.7 kV/cm respectivamente. Asimismo, se observa que la corriente de fuga es ligeramente mayor para el varistor fabricado en el Instituto. Como se mencionó anteriormente, el voltaje de ruptura es un parámetro importante a la hora de diseñar

del cual se da la transición entre el estado altamente resistivo y el estado altamente conductor de un varistor es directamente proporcional al número de bordes de grano por unidad de espesor y, por tanto, inversamente proporcional al tamaño de los granos de ZnO (Hozer, 1994). Por lo tanto, el control del tamaño de grano durante la etapa de sinterizado se convierte en un importante parámetro de procesamiento en la fabricación de varistores (Peiteado, 2005). En la figura 6 se presenta el perfil de temperatura de sinterizado optimizado en cuatro etapas para los varistores fabricados INEEL y mediante el cual se obtuvieron granos con un tamaño promedio de 4 µm. La temperatura máxima de sinterizado fue 1200°C y la permanencia a esa temperatura fue de 20 minutos. En la misma figura se incluye una imagen de Microscopia Electrónica de Barrido correspondiente a un varistor obtenido con el perfil de sinterizado optimizado y en la cual se pueden distinguir tres fases distintas: los granos de ZnO que son la fase mayoritaria en color gris oscuro, la fase con estructura de tipo espinela en forma octaédrica y en color gris claro y la fase rica en bismuto de color mucho más claro que las dos anteriores debido al mayor peso atómico de este elemento.

La caracterización eléctrica de los varistores fabricados en el Instituto se llevó a cabo mediante el estudio de la curva de V-I así como de pruebas de impulso de corriente. En la figura 7 se presentan las curvas

Figura 6. Perfil de temperatura de sinterizado optimizado para fabricar varistores Clase I, así como imagen de Microscopia Electrónica de Barrido de un varistor obtenido con este perfil.

Figura 7. Curva de V-I correspondiente a un varistor comercial y a uno fabricado en el INEEL (antes IIE).


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muestra que efectivamente se tiene un comportamiento varistor dando lugar al paso de corriente durante la aplicación de un impulso de corriente.

Conclusiones

Mediante el proceso de fabricación propuesto en seis etapas y la optimización de la formulación química llevada a cabo es posible obtener varistores cerámicos Clase I (5kA-3kV) con características eléctricas análogas a las que presentan los varistores comerciales. Lo anterior abre la posibilidad para que las empresas dedicadas a la fabricación de apartarrayos puedan incrementar su capacidad tecnológica y así incursionar en un mercado muy importante que es el de Norteamérica.

Retos futuros

Actualmente, aún existen importantes retos que superar en los procesos de fabricación de varistores y en la optimización de la formulación, uno de ellos es llevar a cabo la escalación del proceso a nivel planta piloto para posteriormente transferirlo a la industria. El otro es desarrollar varistores de ultra alto gradiente de voltaje mediante el uso de nanomateriales. Al respecto, la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos del INEEL se encuentra trabajando en estas dos direcciones con la finalidad de mantenerse a la vanguardia y así poder ofrecer soluciones innovadoras y de alto impacto tecnológico a sus clientes.

varistores ya que es el voltaje de operación del componente y el cual marca la transición entre una región muy resistiva a una conductora en la curva V-I.

Finalmente, los varistores fabricados en el Instituto fueron sometidos a una prueba determinante, las prueba de impulso de corriente. En la imagen central de la figura 8 se muestra el arreglo experimental utilizado para dicha prueba y para lo cual fue necesario encapsular en varistor fabricado en concreto polimérico con la finalidad de evitar la formación de un arco eléctrico durante la prueba. En la parte superior izquierda de la figura 8 se presenta una fotografía de un varistor fabricado en el Instituto antes de ser encapsulado. Para llevar a cabo la prueba de impulso de corriente se aplicó el 50, 100 y 200% de la corriente nominal de varistor (5kA), así como un impulso de corriente de hasta 65kA con una forma de onda de 8/20 µs. Los valores promedio de voltaje residual obtenidos para el 100% y 200% de corriente nominal fueron 11.4 kV y 13.7 kV respectivamente los cuales son muy similares a los medidos para los varistores comerciales. De hecho, en el oscilograma correspondiente al impulso de corriente aplicado y la respuesta de voltaje para los varistores fabricados en el INEEL (figura 8)

Figura 8 (a) Varistor Fabricado en el INEEL, (b) Oscilograma correspondiente a un impulso de corriente de 5kA aplicado al varistor en estudio y la respuesta de voltaje (c) Montaje experimental para llevar a cabo la prueba de impulso de corriente y en donde se observa el varistor encapsulado en concreto polimérico.

Artículo técnico

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Referencias

Gupta, T.K. Application of zinc oxide varistors. En Journal of American Ceramic Society, vol. 73, núm. 7, abril de 1990, p. 1817-1840.

Clarke, D. R. Varistor Ceramics. En Journal of American Ceramic Society, vol. 82, núm. 3, febrero de 1999, p. 485-502.

Matsuoka, M. Nonohmic Properties of Zinc Oxide Ceramics. En Japanese Journal of Applied Physics, vol. 10, núm. 6, junio de 1971, p. 736-746.

Shengtao, L. y otros. Advances in ZnO Varistors in China During the Past 30 Years-Fundamentals, Processing, and Applications. En IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 31, núm. 4, agosto de 2015, p. 35-44.

Olsson, E. y otros. Development of Functional Microstructure during Sintering of a ZnO Varistor Material. En Journal of the American Ceramic Society, vol. 76, núm. 1, enero de 1993, p. 65-71.

Hozer, L. Semiconductor Ceramics: Grain Boundary Effects. Polish Scientific Publishers, Warszawa, Poland, 1994.

Peiteado, M. y otros, Processing Strategies to Control Grain Growth in ZnO Based Varistors. En Journal of the European Ceramic Society, vol. 25, núm. 12, marzo de 2005, p. 2999–3003.

Currículum vítae

Francisco Arturo López González[[email protected]]

Maestro en Ciencias en Ingeniería de Polímeros por la University of Akron, Estados Unidos. Ingeniero Mecánico por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM). Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1990. Ha trabajado en proyectos de desarrollo de materiales, su procesamiento y sus mecanismos de envejecimiento. Desde 2010 es Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos de la Dirección de Sistemas Mecánicos del Instituto.

Mario Román Díaz Guillén[[email protected]]

Doctor y Maestro en Ciencias en Ingeniería con especialidad en Materiales Cerámicos por el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Ingeniero Mecánico por el Instituto Tecnológico de Morelia. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad Complutense de Madrid, España. Ingresó al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), antes Instituto de Investigaciones Eléctricas en 2013, a la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, donde colabora en proyectos relacionados con el desarrollo de materiales avanzados para el sector eléctrico. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), Nivel 1.


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Lideramos la elaboración del Atlas Eólico de México En 2014, los gobiernos de Dinamarca y México firmaron un acuerdo de colaboración bilateral dentro del Programa de Energía y Mitigación del Cambio Climático y dentro de este programa se creó el proyecto Atlas Eólico de México (AEM).

El AEM está enfocado en la planeación de la energía eólica y la identificación con mayor detalle de los lugares que cuentan con características apropiadas para desarrollar proyectos de generación eoloeléctrica en pequeña, mediana y gran escala, y en éste participa el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), que funge como la agencia ejecutora del mismo y lleva a cabo la coordinación general de las actividades del proyecto, con apoyo de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU).

Ricardo Saldaña, Ubaldo Miranda, Flor Morales, Gerardo Pérez y Ramón Lira, investigadores de la Gerencia de Energías Renovables del INEEL, contribuyen en las actividades de procesamiento y análisis de información de viento histórica y la modelación del viento. El INEEL también lleva a cabo las actividades de difusión de los resultados del proyecto y la coordinación de la capacitación y formación de recursos humanos.

El objetivo principal del proyecto es elaborar un atlas eólico nacional y desarrollar la capacidad para hacer posible la planeación de la explotación del recurso eólico en México para la generación eléctrica en pequeña, mediana y gran escala, incluyendo la valoración dedicada del recurso eólico y herramientas de localización para propósitos de planeación, esto es un Atlas de Viento Numérico y la base de datos de viento para México.

CANAME en el INEEL

El pasado 25 de julio de 2016, el Consejo Directivo de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas (CANAME) llevó a cabo su sesión de trabajo en las instalaciones del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL).

Un total de 25 empresas miembros de la CANAME asistieron a la reunión, donde pudieron conocer las capacidades tecnológicas con las que cuenta el INEEL, mismas que le permiten ofrecer soluciones de vanguardia a la industria. Este es sólo uno de los muchos beneficios que la iniciativa privada obtiene al vincularse con un centro de investigación con amplia experiencia en el ámbito de la industria eléctrica y energética a nivel nacional.

En esta oportunidad se realizó un recorrido por algunos de nuestros laboratorios, como el de realidad virtual, alta tensión,

redes eléctricas inteligentes, y se les mostraron tecnologías desarrolladas en nuestro Instituto, específicamente aquéllas enfocadas al ámbito de la gestión de la energía, en particular los desarrollos que el Instituto a realizado en el área de submedición, así como los sistemas avanzados de capacitación con realidad virtual. También se les dieron a conocer parte de nuestras capacidades enfocadas a afrontar los retos que plantea el sector, en el contexto de la reforma energética. El INEEL busca fortalecer la vinculación con la industria mediante proyectos conjuntos de desarrollo tecnológico y transferencia de tecnología.

Como parte de esta vinculación con la IP, el Instituto participará en el Simposium Internacional de la Energía que organiza la CANAME.

Comunidad IIE

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Fabricación de sensores a base de materiales nanoestructurados Katherine Montoya es una estudiante de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería que realizó una estancia en nuestro Instituto, en la Gerencia de Equipos Eléctricos, bajo la asesoría de Leonardo Rejón y es originaria de Baja California, del municipio de Tijuana. Tiene estudios de Ingeniería Electrónica por el Instituto Tecnológico de Tijuana y cuenta con un grado de Maestría en Ciencias en Sistemas Digitales, el cual le fue otorgado por el CITEDI-IPN. Cabe destacar que durante sus estudios de Maestría hizo una estancia para el desarrollo de su tesis en el CICESE.

Katherine decidió hacer su estancia en el INEEL porque su director de tesis, Edgar Alonso Reynoso Soto, profesor e investigador del Instituto Nacional de México–Instituto Tecnológico de Tijuana, le comentó sobre el trabajo de Leonardo Rejón sobre sensores a base de nanomateriales para la detección de gases, por lo que el trabajo en colaboración se

vería enriquecido para ambas partes, ya que su tesis doctoral tiene mucho que ver con este tipo de sensores. Su estancia la realizó en nuestro Instituto con una beca que le otorgó el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), con el objetivo de desarrollar actividades relacionadas con su trabajo de tesis. Y precisamente, el proyecto en el que trabajó consistió en la fabricación de sensores a base de materiales nanoestructurados como son los nanotubos de carbono NTC y su evaluación en la detección de los productos de descomposición del gas hexafluoruro de azufre SF6.

La experiencia de trabajar en el INEEL fue bastante satisfactoria, ya que gracias a los conocimientos, orientación, interés, apoyo y confianza brindados por todo el equipo de trabajo de la Gerencia, pudo obtener un panorama más amplio sobre la investigación y aplicación de su proyecto de tesis doctoral.

Alternativas de aprovechamiento energético Por su aportación en el rubro de la eficiencia energética en centros de procesamiento de petróleo y gas natural, el pasado 17 de agosto, la Cámara Boliviana de Hidrocarburos y Energía (CBHE), a través del Comité Organizador del “IX Congreso Internacional Bolivia Gas & Energía 2016”, entregó un reconocimiento al Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL).

María Magdalena Morales Guillén y Alejandro Arriola Medellín, investigadores en la Gerencia de Turbomaquinaria del INEEL son los autores del artículo técnico titulado: “Alternativas de aprovechamiento energético, caso práctico de un centro de acondicionamiento de petróleo y gas natural”, presentado en dicho congreso. Para Magdalena Morales éste es un reconocimiento a la calidad y relevancia del trabajo realizado, y a la visión que

tuvieron al asimilar y aplicar, a partir de 2012, técnicas para el análisis del comportamiento térmico de procesos industriales, en un contexto donde la actividad principal en el Instituto era sobre aspectos asociados a plantas de generación eléctrica. El reconocimiento muestra que la visión que tuvimos en años pasados se inserta ahora en la proyección del nuevo INEEL en materia de eficiencia energética, aplicada a procesos industriales en general.

El trabajo presentado aporta una base metodológica para la implementación de acciones de eficiencia energética en instalaciones de la Administración Pública Federal que ahora, por ley, es de aplicación obligatoria para establecer procesos de mejora continua que contribuyan al mejor aprovechamiento de los recursos energéticos en el país.

Boletín IIE, 2016

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julio-septiembre

Los fluidos dieléctricos basados en esteres naturales han resultado ser una alternativa innovadora a los aceites minerales empleados comúnmente en los transformadores de distribución y de potencia debido a que poseen propiedades dieléctricas, físicas y químicas comparables, y en ocasiones mejores, a las de los aceites minerales. Aunado a esto, cuentan con una biodegradabilidad mayor y se ha comprobado que su uso extiende la vida útil del papel aislante, y como consecuencia, la de los transformadores. Sin embargo, su baja resistencia a la oxidación debido a la presencia de ácidos grasos insaturados y su punto de escurrimiento alto son desventajas que inicialmente han limitado su uso.

Aunado a su naturaleza química, la presencia de impurezas liposolubles en el aceite acelera el proceso de oxidación. Por tal motivo, se debe de realizar un proceso de refinación, con el objeto de mejorar la estabilidad oxidativa del aceite.

Norma Angélica Beltrán Zarza [[email protected]]

julio-septiembre

Implantación de un proceso de refinación de aceite de Jatropha curcas para la obtención de aceite vegetal dieléctrico

Un proceso típico de refinación consiste en cuatro operaciones unitarias:

1. Desgomado: Reduce los fosfolípidos y las sales de calcio, magnesio y de hierro del aceite crudo.

2. Neutralización: Reduce los ácidos grasos libres (AGL) a través de una saponificación.

3. Blanqueo: Reduce, además del color, los productos primarios y secundarios de oxidación, trazas de gomas y jabón, metales, tocoferoles y peróxidos, por medio de un proceso de adsorción.

4. Desodorizado: Elimina impurezas volátiles resultantes de la neutralización y el blanqueo tales como peróxidos, compuestos carboxílicos y ácidos grasos libres.

Breves técnicas

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El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), con la aportación del Fondo CONACYT-SENER-Sustentabilidad Energética y el Centro de Investigación y Desarrollo CARSO, desarrolló el proyecto titulado: “Desarrollo e implantación del proceso de refinación y acondicionamiento de aceites vegetales para la obtención de un aceite dieléctrico”.

Mediante la optimización de un proceso de refinación de aceite de Jatropha curcas, que incluyó desgomado, neutralización y blanqueo, así como la adición de inhibidor de oxidación y depresor de punto de escurrimiento, se logró la obtención de un aceite vegetal dieléctrico que cumple con las especificaciones internacionales referentes a fluidos vegetales dieléctricos usados en aparatos eléctricos (ASTM D6871).

Con este proyecto se demostró el potencial del aceite de Jatropha curcas en la producción de materiales aislantes con aplicación en la industria eléctrica.

En la actualidad, los aceites vegetales dieléctricos disponibles comercialmente se han producido a partir de aceites comestibles tales como los de girasol, soya o canola. Esto origina una creciente discusión en cuanto al uso de terrenos y semillas comestibles para el desarrollo de productos para uso industrial, lo cual ha llevado a la necesidad de pensar en fuentes alternas de aceites tales como semillas oleaginosas no comestibles.

La Jatropha curcas es una planta originaria de México y Centroamérica, también conocida como piñón mexicano. Esta planta ha recibido un gran interés, dado que crece en tierras pobres de climas tropicales o subtropicales con bajos requerimientos de agua. Además, el aceite extraído de sus frutos no se le considera comestible debido a su naturaleza tóxica, por lo que no genera conflictos en cuanto a disponibilidad alimentaria.

Boletín IIE, 2016

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julio-septiembre

Materiales nanoestructurados para sensores de gases subproductos de degradación en aislamientos eléctricos

Leonardo Rejón García [[email protected]] Katherine Montoya Villegas Edgar Alonso Reynoso Soto

Los materiales empleados como aislamiento (aceite, celulosa, Hexafluoruro de azufre) en equipos eléctricos, están sometidos a esfuerzos eléctricos, mecánicos y térmicos durante su operación, ocasionando un proceso de degradación, afectando la confiabilidad, disponibilidad y seguridad de los mismos. Una forma de determinar la condición de los aislamientos y del propio equipo, es través de la cuantificación de la concentración de gases que liberan durante su proceso de envejecimiento. Los principales subproductos gaseosos que se forman por la degradación del aceite mineral y celulosa son: hidrógeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4), acetileno (C2H2), monóxido de carbono (CO), y dióxido de carbono (CO2). Para el caso del Hexafluoruro de azufre (SF6), los principales subproductos son: ácido fluorhídrico (HF), sulfuro de tionilo (SOF2), sulfuro de sulfurilo (SO2F2) y dióxido de azufre (SO2). Existen algunos métodos y sistemas para el monitoreo de la degradación del aislamiento en línea pero en algunos equipos no son viables económicamente su uso, y en otros no existe la posibilidad de monitoreo en línea y de forma continua aún.

En los últimos años, los materiales Nanocompuestos basados en Nanotubos de carbono (NTC) y Grafenos, son de interés para la comunidad científica e industrial, debido a sus impresionantes propiedades, encontrando aplicaciones potenciales como semiconductores o conductores eléctricos, sensores para detección de gases, sensores de deformación y materiales para fabricación de equipo especial. El principal atributo de los nanotubos de carbono como sensores de gases es su capacidad para modificar su conductividad eléctrica debido a la transferencia de carga entre las moléculas del gas en cuestión.

A la fecha se han reportado una gran cantidad de artículos y patentes de propuestas de sensores basados en nanotecnología, sin embargo, no hay disponible comercialmente un dispositivo capaz de monitorear continuamente los gases antes mencionados. De las publicaciones se extraen datos como la respuesta de sensores tipo multicapa funcionalizado

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Breves técnicas

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a la presencia de SO2 y HF. Sin embargo, el sensor se saturó cuando la concentración de los gases fue del orden de 6 ppm. Por otra parte, se también se encontraron resultados de un sensor basado en nanotubos de multicapa modificado químicamente. El sensor fue capaz de detectar gases como el SO2F2, SOF2, SO2 y HF, todos en forma conjunta, no les fue posible cuantificar la concentración de cada uno. Para el monitoreo de gases disueltos en aceite mineral en transformadores, hay resultados que muestran que sensores basados en nanopartículas de SnO2 (dióxido de estaño) mostraron buena respuesta a la presencia de gases como CH4, C2H6, C2H4, y C2H2. Otro sensores evaluados son los basados en nanotubos de carbono dopados con Ni (Níquel) y tratamiento ácido. Otras propuestas de diversas Instituciones son el uso de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO), Nanotubos dopados con paladio y grupos hidroxilos (OH). Es importante señalar que en todos los trabajados publicados los resultados se obtuvieron utilizando gases en su

forma pura o en mezclas con inertes, es decir, no disueltos en aceite, en donde esto resulta muy complejo, y este es un gran reto para llevar la tecnología a la práctica.

Una forma de controlar las propiedades eléctricas y químicas de los nanotubos de carbono, es través de la inserción de defectos e impurezas activas en su estructura. Lo anterior nos permite, obtener materiales que interactúan de forma específica con el gas que se pretenda detectar. Se han reportado el desarrollo de sensores de gas a base de películas delgadas de nanotubos de carbono multicapa dopados con nitrógeno, a los cuales se le depositaron nanopartículas de oro. Su principal aplicación es como detectores de hidrogeno (H2).

En esta dirección el INEEL trabaja en el desarrollo de estos sensores, obteniéndose resultados promisorios para el caso de subproductos de SF6. En donde a escala laboratorio se han evaluado nanotubos de capa simple y múltiple, éstos últimos dopados con N2 y Au. Estos estudios se han realizado en colaboración con el Instituto Tecnológico de Tijuana. Actualmente, se tiene un sistema de monitoreo en línea de subproductos de SF6 utilizando nanotecnología en pruebas prototipo instalado en una subestación eléctrica.

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Diagnóstico del estado operativo de aisladores poliméricos en líneas de transmisión

Ramiro Hernández Corona [[email protected]] Isaías Ramírez Vázquez [[email protected]] Gerardo Montoya Tena [[email protected]]

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La contaminación del aislamiento externo es uno de los principales problemas en líneas de transmisión y en subestaciones. Las empresas eléctricas presupuestan y asignan considerables recursos para el mantenimiento correctivo y preventivo, para conservar la continuidad del servicio eléctrico.

En México, la falta de regulaciones eficientes y el establecimiento de industrias grandes cerca del sistema eléctrico ha causado el incremento del nivel de contaminación durante muchos años. La contaminación del aislamiento ha representado, tradicionalmente, la segunda causa de interrupción de energía en las líneas de transmisión de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

El uso de aisladores poliméricos es una alternativa reconocida a nivel mundial, para mejorar significativamente el comportamiento del sistema eléctrico en zonas contaminadas.

Desde 1995, la CFE ha utilizado esta alternativa en sus líneas de transmisión ubicadas en las regiones contaminadas a lo largo de la República Mexicana. Lo anterior ha permitido incrementar su confiabilidad, sin embargo, bajo condiciones altamente contaminadas, la actividad eléctrica superficial ocasionada por las condiciones ambientales ha ocasionado la degradación del aislamiento en forma de carbonización y erosión en algunos aisladores. Esta condición física operativa representa un alto riesgo de falla

del aislador, que si no es detectada oportunamente puede provocar la caída del conductor eléctrico y por consecuencia, la interrupción del servicio eléctrico. Por lo tanto, la expectativa de vida y la confiabilidad a largo plazo de los aisladores poliméricos continúa siendo una incógnita.

En 2003, la CFE y el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), a través de varios proyectos bajo contrato, implementaron una metodología de inspección del estado operativo de los aisladores poliméricos mediante mediciones de corona visual y distribución del campo eléctrico. Durante los siguientes tres años, la efectividad de la metodología para detectar daños de alto riesgo en los aisladores poliméricos en servicio en las líneas de transmisión fue demostrada. El seguimiento anual permitió observar la evolución de la degradación, hasta convertirse en un daño de alto riesgo.

Breves técnicas

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Un ejemplo de la efectividad de la metodología mediante mediciones de corona visual y distribución de campo eléctrico se observó en un aislador polimérico instalado en una de las estructuras de la línea de transmisión localizada en regiones contaminadas a lo largo de la costa del Océano Pacífico en el Estado de Michoacán. Una alta actividad corona y una fuerte distorsión de la curva de distribución de campo eléctrico son posibles indicaciones de un daño severo en la cubierta del aislador, como se observó en las mediciones de 2006. El daño se verificó al remover el aislador para su revisión física, encontrándose efectivamente que su condición operativa no era satisfactoria, por lo tanto, ya no fue reinstalado.

Con base en mediciones periódicas, la degradación de aisladores poliméricos puede ser monitoreada mediante las técnicas de corona visual y campo eléctrico. De esta manera, la confiabilidad de la línea de transmisión puede mantenerse o incrementarse cuando aisladores poliméricos son utilizados en zonas de alta contaminación y consecuentemente se logra reducir costos de mantenimiento.

Seguimiento de la evolución de la degradación en aisladores poliméricos mediante las técnicas de corona visual y campo eléctrico

Corona Visual

2003 2004 2006

Distribución de Campo Eléctrico

Revisión física

2003 2006

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1 Centro de Graduados e Investigación en Química, Instituto Tecnológico de Tijuana2 Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias3 Centro de Investigación en Materiales Avanzados SC

Evaluation of Pt-Au/MWCNT (Multiwalled Carbon Nanotubes) electrocatalyst performance as cathode of a proton exchange membrane fuel cellMara Beltrán Gastélum1, M. I. Salazar Gastélum1, Rosa María Félix Navarro1, S. Pérez Sicairos1, E. A. Reynoso Soto1, S. W. Lin1, José Roberto Flores Hernández2, Tatiana Romero Castañón2, Irma Lorena Albarrán Sánchez2 and F. Paraguay Delgado3

Article originally published in Energy 109 (2016) 446-455, ELSEVIER

Artículo de investigación

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Abstract

A comparative study between Pt-Au/MWCNT and Pt/C (commercial) as cathodic electrocatalyst of H2/O2 fuel cell is performed. Pt-Au/MWCNT is synthesized using the reverse microemulsion method and this procedure is scaled-up in order to prepare membrane-electrode assemblies for fuel cells with an active area of 9 cm2. Those electrocatalysts are characterized by both physicochemical techniques and electrochemical measurements to evaluate their catalytic activity for Oxygen Reduction Reaction (ORR). In the half-cell study, Pt-Au/MWCNT show higher kinetic current density as cathodic electrocatalyst compared with Pt/C. Likewise, in a fuel cell hardware the maximum power density is significantly higher for Pt-Au/MWCNT cathode (625 mW cm-2 at 0.426 V) when compared with Pt/C anode (355 mW cm-2 at 0.499 V).

1. Introduction

One of the main concerns of the last decades has been the demand for efficient energy sources to supply energetic requirements worldwide [1]. Energy sources based on petroleum and hydrocarbon are the most employed to satisfy the population energetic demand [2]. Nevertheless, two main adverse effects are implied: (a) Petroleum is limited and it is anticipated that the availability of this source will decrease [3]; (b) Most hydrocarbons contribute significantly to pollution generation, increasing the concentration of the greenhouse effect gases. Furthermore, gases such as NOx and SOx are also involved either in oil refinery or energy generation process from hydrocarbon sources [4].

Hence, new sustainable energy sources such as solar [5], wind [6], geothermal [7], hydro [8] have emerged as an alternative to supply the energetic requirements of the mankind and have gained importance in recent years. Renewable energies have the advantage of producing clean energy on site, but lack the capability to produce steady power as the resource will vary according to the weather conditions. Batteries, capacitors and fuel cells are ideal companions to renewable energies and can complement these technologies as they supply electricity during intermittent energy production. The most efficient way to convert hydrogen back to electricity is via fuel cells, which can be defined as a device that generate electrical energy from a chemical [9] or biochemical [10] reaction. Fuel cells are efficient, clean, and noise free energy generators that convert the chemical energy of a fuel and oxidant into electricity. The fuel cell consists of an anode and cathode, where the oxidation of the fuel and reduction of the oxidant take place, respectively. Both electrodes are typically made of a catalyst layer on top of a gas diffuser, and separated

by an electrolyte where the ion exchange occurs to complete the reaction.

There are many types of fuel cell based on the fuel employed such as alkaline (AFC) [11], Phosphoric acid (PAFC) [12], molten carbonate (MCFC) [13] and solid oxide (SOFC) [14].

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) [15] has gathered much interest due to its low operating temperature between 60 °C to 80 °C and high versatility [16]. Since the range of energy produced in PEMFC goes from 10-3 W to 106 W, supplying energy to small electrical devices and up to large systems for energy distribution purposes is possible. In addition, PEMFC has experienced an increased usage as an environmentally sustainable energy generator for various application areas such as transportation, portable electrical devices and stationary energy. Besides, this technology permits the interconnection with others renewable energy sources (generating Hybrid Power systems) with the aim of enhance the energy demand [17-19].

PEMFC can be operated with both hydrogen and alcohols as fuels, but hydrogen [20] produces a higher power density than alcohol [21]. It is well known that the determining process in PEMFC is the cathodic process, where the Oxygen Reduction Reaction (ORR) takes place with a lower rate constant than fuel oxidation [22]. The main mechanisms on the electrochemical ORR leads to two main applications: (1) ORR via 4 electrons leading to H2O and heat generation, this approach is employed in energy conversion, such as in PEMFC [23]; (2) ORR via 2 electrons leading to H2O2 generation, this approach is employed in environmental and synthesis applications, since H2O2 produced is a powerful oxidant reagent [24, 25].

The operational performance of the cell is influenced by different parameters such as, temperature of the cell, gas feeding and design of the flow plates [16, 26], water management [27], pressure of the gases [28] and activity of the catalyst [29].

The improvement on the catalytic activity for the ORR represents one of the important studies in fuel cell development. Pt based electrocatalysts are the most reported materials for ORR [29] because of their high stability, kinetic activity, etc. Efforts to increase the catalytic activity for ORR include improved catalyst utilization, higher electroactive surface area, homogeneous catalyst distribution, and higher electrical contact between the Pt particles. To achieve these targets, the utilization of improved catalyst supports based on carbon structures such as Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNT) [30], Single wall Carbon Nanotubes (SWCNT)


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[31], graphene oxide film [32], Vulcan [33] and Graphite [34] have been reported with different results. MWCNT have shown excellent electrical properties, extraordinary thermal conductivity [35] and good mechanical properties [36] making them a good candidate for catalyst support [37] in fuel cells.

Other areas of research in the catalyst activity improvement are: to decrease the catalyst particle size [38], structural change to increase electrochemical active area, to improve durability due to CO poisoning and increase the active sites [39]. In the catalyst layer, research has been focused on increasing the contact between the support and the catalyst particles to reduce the resistance to charge- and mass-transfer, and to increase gas-diffusion channels, with the main objective of enhancing the ohmic contact in the triple-phase boundary (catalyst, ionomer and support) within the catalyst layer structure [40]. There exist other areas of PEMFC improvement such as, the development of alternatives to Pt to reduce catalyst cost such as, non-noble materials [41], organometallic complexes [42] and alloy materials [43], including alloying with other metals and core-shell nanocatalysts [44, 45]. Fang et al. [46] reported the evaluation of the performance in a PEMFC of an assembly fabricated with Pt/C (ETEK) as anode and Pt51-Au49/C (20wt%) as cathode with active area of 5 cm2; the evaluation was performed at 75 oC, 30 lb in-2 H2/O2 and 0.40 mgPt cm-2, obtaining current and power densities values around 1400 mA cm-2 at 0.5 V and 640 mW cm-2, respectively. So-Mi et al. [47] synthesized a catalyst based on Platinum and gold supported on carbon with various Pt/Au ratios by reduction method, these materials were evaluated as catalysts in the ORR and it reached a maximum when Pt/Au ratio was 90/10. Also, an assembly was made with Pt/C (ETEK) and Pt90-Au10/C (20 wt%) as anode and cathode, respectively, and active area of 5 cm2 to evaluate in a PEMFC at 70 oC, 400 mL min-2 H2 and 1300 mL min-2 O2, platinum loading of 0.40 mgPt cm-2. The maximum power density reached was 370.3 mW cm-2 and current density value of 800 mA cm-2 at 0.5 V.

This work presents the synthesis of composite bimetallic nanoparticles based on platinum and gold supported on MWCNT (Pt-Au/MWCNT) with atomic ratio Pt-Au (1:1) and 20 wt% of metal loading (Pt-Au) with 80 wt% of MWCNT by the reverse microemulsion method to be used as electrocatalysts in the cathode of a single PEMFC. The nanomaterials of Pt-Au/MWCNT and commercial Pt on Vulcan XC-72 carbon (Pt/C) were characterized by physicochemical methods. Electrochemical measurements such as thin-film rotate disk electrode (RDE) and electrochemical active surface area (SEI) were performed in order to compare the catalytic activity for ORR and understand the pathway of the ORR using Koutecky-Levich

equation. Furthermore, Membrane Electrode Assemblies (MEAs) prepared using Pt-Au/MWCNT and Pt/C as cathode and anode, respectively and Pt/C as both cathode and anode were compared through electrochemical tests in a single fuel cell hardware. Catalyst ink with various Nafion® concentrations such as 3 wt%, 6 wt%, 16 wt% and 26 wt% was varied in the cathode to study the influence of its concentration on the performance of the MEAs.

2. Materials and methods

2.1 Chemicals

Potassium hexachloroplatinate (IV) (K2PtCl6∙xH2O, 98%), Chloroauric Acid (HAuCl4∙xH2O, 99%) sodium citrate tribasic hydrate (C6H5Na3O7∙xH2O, 99%), Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB, 99%), Ferrocene (C10H10Fe, 98%) and Nafion® solution (5 wt%) were purchased from Sigma-Aldrich. Sodium borohydride (NaBH4, 98%), sulfuric acid (H2SO4, 97%), nitric acid (HNO3, 70%), isopropanol (C3H8O, 99%), methanol (CH3OH, 99.9%), ethanol (C2H5OH, 99%), toluene (C7H8, 99.5%) and acetone (C2H6O, 99%) were acquired from Fermont. Nitrogen gas (99%), oxygen gas (99%), argon gas (99.9%), hydrogen gas (99%) and liquid nitrogen (99.999%) were supplied by Industrial Gases Infra. All chemicals were used as received. Clear fused quartz tube was purchased from AdValue Technology. Gas diffusion layer (SGL carbon 34BC) with air permeability of 0.35 ± 0.25 cm3 cm-2 s-1 was acquired from Ion Power, Inc. Commercial Pt/C was acquired from Fuel Cell Store. Nafion R212 Membrane was supplied by Dupont. Aqueous solutions and water used in synthesis of nanomaterials were prepared with Milli-Q water (18 MΩ, Millipore).

2.2 Synthesis of the nanomaterials

2.2.1 Synthesis, purification and functionalization of MWCNT

MWCNT were synthesized by the spray pyrolysis technique, as reported by Alonso-Núñez et al [48]. The solution containing 25 mM of ferrocene in toluene was nebulized and transported to a quartz tube by argon flow at 20 psig, the flow injection was controlled by a rotameter at 6.37 cm3 h-1. The quartz tube was previously heated at 850 oC in an oven (Thermo Scientific model Lindberg/Blue M) to start the synthesis and the reaction time was fixed to 30 min at the aforementioned conditions. Then, the reactor was allowed to cool in argon atmosphere until it reaches room temperature.

Purification/functionalization of MWCNT support which acts as the support for platinum nanoparticles are required to remove the residues derived from the synthesis and creates


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active sites to attach the nanoparticles onto the support. The process was carried as follows: a solution of 3 M HNO3/1 M H2SO4 was mixed with 2 mL of CH3OH to eliminate residual contents of Fe in 100 mg of MWCNT (Fe is associated with the ferrocene used in the synthesis of MWCNT) by reflux for 120 min. Finally, the purified/functionalized MWCNT was rinsed with water, methanol and acetone by using a filtering system and allowed to dry for 24 h at 100 oC.

2.2.2 Synthesis of Pt-Au/MWCNT nanomaterial

Once MWCNT were synthesized and functionalized, the synthesis of the nanomaterial was carried out. Since commercial Pt/C has a platinum loading of 20 wt%, the aim of the synthesis by reverse microemulsion was to obtain the same loading (20 wt%) of nanosized Pt-Au on the MWCNT with atomic ratio Pt:Au (1:1). Reverse microemulsion proved to be an effective method for good dispersion and synthesis of smaller size nanoparticles [49]. Our group has reported the synthesis of bimetallic electrocatalysts for H2O2 generation by reverse microemulsion [24, 25]; however, those reports are referred to 20 mg of the nanomaterial with different synthesis procedures. In this work, the synthesis was scaled up to obtain 100 mg of Pt-Au/MWCNT nanomaterial starting with 80 mg of MWCNT support.

The nanoparticle deposition on MWCNT procedure begins with the preparation of solution A, consisting of CTAB/isopropanol/water in 4.8/88.9/6.3 (v/v%), respectively. 80 mg of MWCNT in 170 mL of solution A were dispersed in ultrasonic bath for 45 min. The dispersed slurry was stirred and refluxed for 10 min in a round bottom flask of 1.0 L with three necks. Simultaneously, two different microemulsion solutions were prepared, a solution of K2PtCl6 (9.8 mM) in 40 mL of solution A and the reducing solution, which consisted of NaBH4 (50 mM) and C6H5Na3O7 (50 mM) in 40 mL of solution A. The reducing solution was then added to the slurry, after stirring by 20 min, the K2PtCl6 solution was added. Finally, the system was left standing to react for 3 h. After that, a second dose of reducing solution HAuCl4 (6.2 mM) was added in 40 mL of solution A and allowed to react by additional 3 h.

The composite Pt-Au/MWCNT obtained from this process was rinsed with water, isopropanol, methanol and acetone, successively, filtered and dried for 24 h at 100 oC.

2.3 Physicochemical and microscopic characterization

Thermogravimetric analysis (TGA) were performed using TA Instrument-Q500 by using a Pt pan of 100 µL Thermograms were recorded in the temperature range of 30 oC to 850 oC,

using a heating rate of 20 oC min-1 with an oxygen flow of 60 mL min-1.

Transmission Electron Microscopy (TEM) on a JEOL 2200FS with spherical aberration corrector in probe mode was used to observe the morphology of Pt-Au/MWCNT and elemental composition of the samples was made by X-ray dispersive energy (EDS) attached to this equipment.

SEM micrographs were acquired by using a TESCAN VEGA 3, operated at 20 kV and elemental analysis were carried out with Bruker 125 eV detector coupled to the TESCAN microscope to observe the microstructure of the MEAs.

2.4 MEAs preparation

MEAs were prepared applying the catalyst ink onto the Gas Diffusion Layers (GDL) with metal loading on the GDL of 0.5 mg cm-2 to obtain the cathode and anode Gas Diffusion Electrodes (GDE) followed by hot-pressing with the membrane in between, to form a 5-layer MEA with an active area of 9 cm2. More details of this and other methods to prepare MEAs are described in [50-52]. In all the MEAs prepared, only Pt-Au/MWCNT was used as cathodic electrocatalyst, while the commercial Pt/C was used as anodic electrocatalyst.

The Pt/C catalyst ink was prepared by mixing the Pt/C nanomaterial with a solution of water, Nafion® solution (5 wt%) and ethanol in a 1:4:1.4:20 by weight ratio, respectively. However, the catalytic ink ratio was changed (1:1.4:20:212 ) for Pt-Au/MWCNT to ensure a homogenous dispersion. The amount of Nafion® solution was varied: 3 wt%, 6 wt%, 16 wt% and 26 wt% to study the influence of its concentration on the performance of the MEAs.

2.5 Electrochemical measurements

All electrochemical measurements were performed in a three-electrode cell, which contained a Pt Rotating Disk Electrode (RDE) as the working electrode (WE, geometric area, 0.1257 cm2), Ag/AgCl/KCl(saturated) as the reference electrode (RE) and a Pt spiral wire with large surface area as counter electrode (CE). These electrodes were immersed in 0.5 M H2SO4 solution at room temperature. The electrochemical system was connected to a potentiostat/galvanostat Biologic model VMP-300. All potential values were referred to the Standard Hydrogen Electrode (SHE).

In order to perform the electrochemical measurements, the Pt RDE surface was first polished with an alumina slurry (0.05 µm grade), and then, the electrode was prepared with 40 µL of a catalytic ink prepared by suspending 2 mg of


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either Pt-Au/MWCNT or Pt/C in a solution of 150 µL of Nafion® (5 wt%) and 550 µL of ethanol. The ink was sonicated before the deposition on the electrode to obtain a homogenous ink.

The MEAs fabricated with these two catalysts (commercial Pt/C and Pt-Au/MWCNT), were characterized in a single fuel cell hardware (in-house design), in order to compare their performance and also to correlate these results with the kinetic results obtained in the RDE study. The fuel cell tests were carried out by using a potentiostat/galvanostat Solartron model 1287 with 20A booster attached, Solartron model 1290 and an Impedance/Gain-phase analyzer Solartron model 1260.

2.5.1 SEI and ORR activity

Measurement of Electrochemical active surface area (SEI) is based on the integrated charge in hydrogen underpotential deposition (H-UPD) in platinum. Ye et al [53] reported SEI, accordingly to Eq. 1:

SEI = QH ⁄ Qref * Ptload (1)

Where SEI is reported in m2 g-1, QH is the integrated charge in H-UPD region (mC), Qref is the integrated charge for the adsorption/desorption of one monolayer of hydrogen in Pt (111), which is a constant value of 0.21 mC cm-2 and Ptloading is the mass of Pt placed onto working electrode (mg).

To carry out SEI measurements, cyclic voltammetry (CV) in 0.5 M H2SO4 solution were recorded in the potential range of 0.0 V to 1.4 V vs SHE, at scan rate of 100 mV s-1.

For ORR catalytic activity test, 0.5 M H2SO4 solution was bubbled with oxygen gas for 20 min. Then, linear sweep voltammetry (LSV) were recorded in a potential range of 1.0 V to 0.1 V vs SHE, at scan rate 5 mV s-1. Also, different rotation speeds of the Pt-modified RDE (50, 100, 250, 500, 750 and 1000 rpm) were applied in order to analyze the results by Koutecky-Levich equation [54].

2.5.2 Fuel cell testing protocol

The ohmic resistance was measured with an Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) in the frequency range of 100 kHz to 0.1 Hz with 10 mV ac, at 0 V dc and 10 steps dec-1. The fuel cell hardware is fed with oxygen (cathode) and hydrogen (anode), both at 10 psig and heated at 60 oC.

The MEAs performance was measured by potentiodynamic polarizations from OCV to 0.1 V, with a scan rate of

2 mV s-1 to obtain the polarization (I-V) curve by triplicate for each sample, at 60 oC and 10 psig for H2 and O2.

The active surface area (ESA) is an analog test to determine the electrochemical active surface area (SEI) performed in the fuel cell hardware. In ESA, cyclic voltammetry is recorded, supplying nitrogen gas at cathode and hydrogen at anode, the charge integrated in the potential range from 0.0 to 0.3 V is related to H2 adsorption/desorption in the anode.

3. Results and Discussion

3.1 TGA analysis

In order to confirm the amount of metallic content (Pt and Pt-Au) and the thermal behavior of the MWCNT and the C Vulcan, TGA analysis was performed. It is important to point that this technique is non-selective to each metallic species for Pt-Au/MWCNT. Fig. 1 shows the thermograms for Pt-Au/MWCNT and Pt/C. The thermogram corresponding to Pt/C shows a weight loss at 400 oC is attributed to the combustion of the Vulcan carbon [55]. The remaining weight of 19.35% is associated with the corresponding metallic oxide (PtO2) while the thermogram corresponding to Pt-Au/MWCNT shows a weight loss at 580 oC associated with MWCNT combustion [55]. The final of 25.00% weight loss is attributed to the corresponding metallic oxides (PtO2 and Au2O3). However, it is not feasible to accurately determine the individual concentration for each element.

3.2 STEM microscopy

The morphology and the size distribution of the nanoparticles anchored on the MWCNT were determined by STEM mode images. The micrographs of the Pt-Au/MWCNT electrocatalyst clearly shows the uniformly dispersion of Pt-Au on the MWCNT creating a multi-dimensional network structure that facilitates the electrons/

Fig. 1. TGA curves for PteAu/MWCNT and Pt/C nanomaterials.


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protons transfer and increasing the active sites (Fig. 2a and 2b). The porosity of catalyst/MWCNT network in combination with the placement of catalyst particles closer to nanotubes edges provides effective triple phase formation and transfer of gas and water, thereby, reducing the ohmic resistance and promoting electronic and ionic transfer. The TEM images confirmed a good distribution of the bimetallic particles. Fig. 2c shows the particle size Gaussian distribution with an average diameter of 3.26±0.47 nm for Pt-Au nanoparticles. The Fig. 2d and Fig. 2e shows the lower and higher magnification of Pt/C commercial nanoparticles on Vulcan carbon with a good deposition of Pt on the carbon support. At low magnification, uniform dispersion is observed and at high magnification the particles do not overlay. However, large aggregation of Pt particles makes it difficult for the reactants to access the active sites and causing reduced catalyst utilization. Fig. 2f shows the particle size distribution for Pt with average diameter of 1.76±0.33 nm.

The composition analysis was performed by EDS and Fig. 3 shows the typical elemental composition spectrum of Pt-Au/MWCNT. The average elemental composition was obtained from 12 different zones analyzed in the sample. The EDS spectra for Pt-Au/MWCNT showed 54.13% of Pt and 45.87% of Au In close agreement with the original Pt:Au ratio (1:1) of the precursor synthesis solution.

According to STEM micrographs and EDS elemental analysis, it can be seen that the Pt commercial particle size is smaller than Pt-Au alloy. However, Pt-Au particles on MWCNT have better performance in the fuel cell hardware.

Matsumoto et al. [56], Zhao et al. [57] and Wu et al. [42] have also shown better performance when carbon nanotubes are used as the support material.

3.3 Electrocatalytic activity for ORR

3.3.1 Electrochemically active surface area of the electrocatalyst

Fig. 4 shows cyclic voltammograms for Pt-Au/MWCNT and Pt/C. Both electrocatalysts show hydrogen adsorption/desorption features in the potential range of 0.0 V to 0.3 V vs SHE. The reduction peak potential of PtxOy is located at 0.65 V vs SHE in both electrocatalysts. Herein, the SEI values for both electrocatalysts are calculated according to Eq. 1, where, QH for Pt-Au/MWCNT and Pt/C (commercial) were 7.33 mC and 8.69 mC, respectively. From TGA analysis and elemental average value from EDS, the Ptloading of Pt-Au/MWCNT and Pt/C (commercial) were estimated to be 0.02 mg for both electrocatalysts. The SEI values estimated were found 24.93 m2 g-1 for Pt-Au/MWCNT and 27.39 m2 g-1 for Pt/C (commercial).

3.3.2 Oxygen Reduction Reaction for the electrocatalyst

In order to measure the catalytic activity in the ORR for the electrocatalysts, LSV were performed using the RDE technique. Fig. 5a and 5b shows the voltammograms for Pt-Au/MWCNT and Pt/C, respectively. It is noticeable that the onset potential for ORR was around 0.8 V vs SHE for both samples. Also, the electrocatalysts showed no significant

Fig. 2. TEM images of (a and b) PteAu/MWCNT and (d and e) Pt/C commercial; Histogram of the size distribution of (c) PteAu/MWCNT nanomaterial and (f ) Pt/C commercial.


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difference in the diffusion limiting current density at 1000 rpm (or plateau current density).

The kinetic current density [54] at 0.7 V can be defined as (Eq. 2):

jk,0.7 V = jD * j0.7 V / jD – j0.7 V (2)

Where jk, 0.7 V is the kinetic current density at 0.7 V (mA cm-2), jD is the diffusion limiting current density (mA cm-2) and j0.7 V is the current density at 0.7 V. According to Eq. 2, the values of kinetic current density at 1000 rpm were: -7.65 mA cm-2 and -3.68 mA cm-2 for Pt-Au/MWCNT and Pt/C (commercial), respectively. Lin et al. [58] reported nano-structured catalysts based on carbon-supported Au@Pt core shell with varying the atomic ratio of Pt:Au synthesized by the seed-mediated growth method; the best catalytic activity for ORR obtained was for Au@Pt(2:4)/C catalyst, the current density value exhibited was around -4 mA cm-2 at 0.1 V vs SHE and 1800 rpm.

ORR is a complex process that involves different pathways [59]. In order to clarify the mechanism of ORR, Koutecky-Levich equation was used to determinate the number of electrons transferred (n) during the ORR; this equation states an inverse ratio between the reciprocal of the current density and the square root of the rotation speed (Eq. 3):

1/J = 1/Jk + 1/B w1/2 (3)

Where J (mA cm-2) is the experimentally observed current density, Jk is the kinetic current density (mA cm-2) and w is the rotation speed of the RDE (rpm). When this relationship is plotted, n in the ORR can be calculated from the slope, according to Eq. 4:

B = 0.20nFD2/3O2 u

-1/6 CO2 (4)

The coefficient 0.20 is used when w units are rpm, n is the number of electrons transferred, DO2 is the diffusion coefficient for oxygen (1.85 x 10-5 cm2 s-1), u is the kinematic viscosity of H2SO4 solution (0.01 cm2 s-1) and CO2 is the concentration of dissolved oxygen in the solution (1.13 x 10-6 mol cm-3). Fig. 5c shows the Koutecky-Levich plots for Pt-Au/MWCNT and Pt/C, where the number of electrons transferred in ORR is close to 4 in both electrocatalysts, leading to H2O generation. Also Fig. 5d shows that the ORR with 4 electrons transferred occurs in the Pt-Au/MWCNT in a wide potential range (0.1-0.6 V vs SHE), which is recommendable on electrocatalysts for fuel cell application.

Table 1 shows the Koutecky-Levich slope, the experimental number of electrons transferred (nexp) in ORR, and the kinetic rate constant (k) values derived from the intercept term in Koutecky-Levich equation for Pt-Au/MWCNT and Pt/C. It is noticeable that a higher value of the kinetic rate constant is observed for Pt-Au/MWCNT than for Pt/C (commercial), which could be due to a synergistic effect of the bimetallic alloying character.

3.4 Fuel cell test

3.4.1 Comparison of Pt-Au/MWCNT and Pt/C

The performance of the Pt-Au/MWCNT as cathode catalyst in a single fuel cell was compared with the Pt/C commercial, Fig. 6a shows the peaks attributed to hydrogen adsorption/desorption between 0.0 to 0.3 V. The charge integrated for hydrogen desorption is related to Electrochemical Surface Area (ESA) values. ESA values found were similar for both electrocatalysts, 0.45 mC cm-2 for Pt-Au/MWCNT and

Fig. 3. EDS and HAADF image of one zone of PteAu/MWCNT nanomaterial.

Fig. 4. Cyclic voltammograms of PteAu/MWCNT and Pt/C (commercial) electrocatalysts in 0.5 M H2SO4 at scan rate of 100 mV s-1.


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0.43 mC cm-2 for Pt/C (commercial). However, Fig. 6b demonstrates that better fuel cell performance is obtained by using Pt-Au/MWCNT as cathode than Pt/C (commercial) since the maximum power density values were 625 mW cm-2 at 0.426 V for Pt-Au/MWCNT and 355 mW cm-2 at 0.499 V for Pt/C (commercial) (Table 2). These values were obtained from the polarization curve (Fig. 6b), where the ohmic and mass transport overpotentials are higher for Pt/C (commercial) than Pt-Au/MWCNT cathode. Assuming that both MEAs had the same humidity content during the test (pre conditioning process as part of testing protocol) and similar triple-phase boundary areas, the better performance of Pt-Au/MWCNT could be due to good ohmic contact along the catalyst layer facilitated by the location of the catalyst particles along the edges of the MWCNT and a better 3-D structure. Furthermore, in the mass transport overpotential zone, it could be hypothesized that a thinner thickness of the Pt-Au/MWCNT catalyst layer (Table 3) not only benefited the utilization of the catalyst sites but also reduced

the path to the reactant gases to the reaction sites. The higher porosity in the structure of the Pt-Au/MWCNT catalyst layer (compare Fig. 7c and 7e) produced a lower mass transport resistance than the Pt/C catalyst layer, as observed at moderate currents in Fig. 6b, where the voltage dropped faster for Pt/C than for Pt-Au/MWCNT due to the mass transport limitations. It also can be inferred form the low currents region in Fig. 6b that the curves slopes for both catalyst layers (Pt/C commercial and Pt-Au/MWCNT) were similar, although, pointing to similar activation overpotentials in fuel cell. Lin et al. [58] performed the evaluation of Au@Pt (2:4)/C as catalyst in a PEMFC reaching a maximum power density value of 479 mW cm-2 using H2 and O2 at 80 oC. Also, Selvarani et al. reported a catalyst based on Pt-Au (3:1) supported on carbon (Pt-Au/C), which was used as cathode in PEMFC, the maximum power density obtained with this catalyst was 650 mW cm-2 using H2 and O2 at 60 oC, the amount of the platinum is higher than catalyst reported in this work [60].

3.4.2 Variation of Nafion® solution content in the catalytic ink

Fig. 8a shows the signals attributed to hydrogen adsorption/desorption between 0.0 to 0.3 V of some fabricated MEAs with different concentration of Nafion® solution in the catalytic ink (the other components: Pt-Au/MWCNT, ethanol, and water were maintained

Table 1Experimental parameters for PteAu/MWCNT and Pt/C (commercial) determined from Koutecky-Levich plot.

SampleExperimental

slopenexp k (cm s-1)

Pt/C (Commercial)

3.15 5.00 1.73 X 10-2

Pt-Au/MWCNT

3.20 4.98 2.26 X 10-2

Fig. 5. Linear voltammograms recorded in O2 saturated H2SO4 (0.5 M) at different rotation speeds for (a) Pt–Au/MWCNT, (b) Pt/C at scan rate of 5 mV s-1, (c) Koutecky-Levich plotfor Pt–Au/MWCNT (◊) and Pt/C (*) determined at 0.5 V vs SHE and (d) Koutecky-Levich plot for Pt–Au/MWCNT at different potentials.

Fig. 6. (a) Adsorption/desorption region of Pt–Au/MWCNT and Pt/C; (b) Polarization curves (filled) and power densities (blank) for both assemblies.


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constant as defined in section 2.5). It is well known that the composition of catalytic ink solution is an important challenge to improve fuel cells manufacturing and an attempt was made in this paper to understand their influence in the performance of the cathode. The concentrations of Nafion® solution used here were: 3, 6, 16, and 26 wt% and their corresponding ESA values were: 0.37 mC cm-2, 0.45 mC cm-2, 0.25 mC cm-2 and 0.21 mC cm-2, respectively. It is clearly evident that the MEA with 6 wt% of Nafion®, had the widest region associated with the adsorption and desorption of hydrogen and obtained the highest ESA value (see Fig. 8a). Likewise, the Fig. 8b shows the polarization (I-V) and power density curves for the MEAs with variation of Nafion® solution. Similarly, the MEA with 6 wt% of Nafion® showed the best performance in the I-V curve, with 1.14 A cm-2 at 0.5 V and the highest maximum power density with 625 mW cm-2, is noticeable that this catalyst reach practically the same maximum power density value than the reported by Fang et al., however that value is obtained at 75 °C, while the value reported in this work was obtained at 60°C [46]. Table 3 shows the performance parameters of all MEAs with different concentrations of Nafion® solution. These results confirmed the impact on the PEMFC performance by the concentration of Nafion® solution in the catalyst layer.

It is also very well known that the amount of Nafion® affects the mass transport and the ionic conductivity in the triple phase boundary areas within the catalyst layer and across the membrane interface [61]. Several studies suggest that there is an optimal amount of Nafion® up to a critical ratio at which the Nafion® (ionomer) begins to create a mass transport barrier and higher electronic impedance [62-65]. An insufficient amount of Nafion®

Table 2Different performance parameters for PteAu/MWCNT and Pt/C (commercial) with 6 wt% of Nafion® in the fuel cell test.

Assembly OCP (V) R (W) J (A cm2, E = 0.5V) J (A cm2, E = 0.1 V) P (mW cm-2)Pt/C

(commercial) - 0.97 0.24 0.71 1.07 355

PteAu/MWCNT - 0.96 0.20 1.14 2.34 625

Table 3Effect of Nafion® content on catalytic layer thickness and different performance parameters in fuel cell test for PteAu/MWCNT with different wt% of Nafion® solution.

Nafion® content (wt%)

Estimated catalytic layer thickness (mm) OCP (V) R (W) J (A cm-2, E = 0.5 V) J (A cm-2, E = 0.1 V) P (mW cm-2)

Pt/C (anode)

Pt–Au/MWCNT (cathode)

3 25 22 - 0.95 0.22 0.77 1.82 4246 24 15 - 0.96 0.20 1.14 2.34 625

16 16 11 - 0.96 0.24 0.71 1.70 39626 17 11 - 0.96 0.21 0.65 1.73 364

Fig. 7. SEM images of the assembly with Pt–Au/MWCNT (cathode) and Pt/C (anode).

Fig. 8. (a) Adsorption/desorption region of assemblies with different wt% of Nafion® solution and (b) Polarization curves (filled) and power densities (blank) of the assemblies.


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results in a poor triple phase boundary presence, limiting the platinum activity even though there is an even particle distribution. This phenomenon could explain the lower ESA obtained for the MEA with 3 wt% of Nafion® compared to the MEA with 6 wt% of Nafion® (see Fig. 8a). On the other hand, excess Nafion® blocks the pores of the catalyst layer, masks the catalyst particles, hinders the path of the reactant gas to the active sites, and also increasing the water content in the catalyst layer. These are the impacting factors for the MEA performance and the hydrogen adsorption/desorption (see Fig. 8a). Likewise, the lower performance obtained in the MEAs with Nafion® concentrations of 3, 16 and 26 wt% in the I-V curve confirm that Nafion® plays an important role for both the ohmic and mass transport regions showing a similar voltage drop (similar slope) after the active polarization region, with the best performance for MEA with 6 wt% of Nafion® (see Fig. 8b).

3.4.3 SEM micrographics of MEAs

SEM and EDS analysis were performed in order to measure the thickness of the catalytic layer in both diffusers of MEA. The thickness of the catalytic layer was estimated by determining the presence of Pt and Pt-Au at different distances from the surface until Pt and Pt-Au were no longer detected. This profile of catalytic layer (distance wise) from the surface of the GDL is related to the ink solution application method; the porosity of the GDL, the catalyst material (Pt/C or Pt-Au/MWCNT) and the composition of the ink solution (Nafion® content). Fig. 7 shows micrographs for a MEA (Nafion® 6 wt%), where the thickness of the Nafion membrane was 45.8 µm, the thickness of the catalytic layer had a thickness of 23.8 µm for Pt/C (commercial), while for Pt-Au/MWCNT was found in 15.4 µm. Table 3 shows values of different parameters of MEAs prepared by varying the content of Nafion® in catalytic ink. When Nafion® content was increased, the thickness of the catalytic layer decreased and the power density of the cell varied, reaching a maximum value when a 6 wt% of Nafion® content was used. These results could be linked to the porosity of the catalyst layer, as the MWCNT has a more compact system compared to the Vulcan carbon, demonstrated a thinner layer with better repercussions in the ohmic contact.

4. Conclusions

Although there are few reports with Pt-Au catalyst in literature, no reports of this material is reported by using MWCNT as support. The synthesis of Pt-Au/MWCNT by using reverse microemulsion methodology and their performance was compared with Pt/C (commercial). The experimental characterization indicates a good dispersion,

size distribution and adequate total amount of metal content of the nanomaterial. Moreover, the elemental average value from EDS confirms that the composition of Pt:Au is approximately 1:1.

Electrochemical measurements were performed in order to compare the catalytic activity in the ORR for Pt-Au/MWCNT and Pt/C (commercial). No significant differences were observed in SEI, onset potential and diffusion limiting current density in both electrocatalysts. However, the value of kinetic density current at 0.7 V is higher in Pt-Au/MWCNT than Pt/C (commercial), this fact is attributed to an improvement in the electronic charge transference by using MWCNT as support, compared with other carbonaceous materials. ORR with 4 electrons transferred took place in both electrocatalysts leading to H2O. Furthermore, ORR process with 4 electrons occurred in a wide range of potential in Pt-Au/MWCNT, which means this electrocatalyst is a promising alternative to Pt/C for fuel cell application.

A critical parameter in the catalyst performance is the adequate quantity of Nafion, in this paper were studied different Nafion® concentration, the MEA with 6 wt% of Nafion® showed the best performance in a single fuel cell hardware working with H2 and O2. Even with the same value of ESA, Pt-Au/MWCNT exhibited a better performance in single fuel cell test. An explanation based on the thinner catalyst layer obtained with the alternative Pt-Au/MWCNT and its multi-dimensional network is believed to have facilitated transportation of gases and water, ensuring reactants to reach the catalyst sites.

Acknowledgements

We would like to take this opportunity to thank Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) under grants projects INFR-2014-224627 and RED-2012-194153 and Tecnológico Nacional de México (TNM) under grant TNM-5626.15-P for supporting this research project. Mara Beltrán-Gastélum is grateful to CONACyT for providing the scholarship for her doctoral thesis research. Thanks to Nanotechnology National Lab, located at CIMAV, Chihuahua, México, for electron microscopy study, thanks for their technical help to W. Antunez, E. Lestarjette, P. Pisa and C. Ornelas. The authors thank to S. Velraj for comments and review of the manuscript.


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Currículum vítae

José Roberto Flores Hernández[[email protected]]

Doctor en Electroquímica por la Albert-Ludwigs-Universität Freiburg I. Br., Alemania. Maestro en Ciencias en Química con especialidad en Electroquímica por el Tecnológico de Tijuana. Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1990 a la Gerencia de Energías Renovables de la División de Energías Alternas. Su área de especialidad se relaciona con la producción de hidrógeno vía la electrólisis del agua, donde ha diseñado y fabricado un prototipo industrial de stack de electrólisis, el cual ha pasado la fase de pruebas con un buen desempeño. Su actividad principal se enfoca en la fabricación de Ensambles Membrana-Electrodos (MEAs) para la tecnología de celdas de combustibles y electrolizadores. Ha realizado el desarrollo tecnológico del proceso de deposición automática de tinta catalítica para la fabricación de MEAs. Actualmente trabaja en la fabricación de MEAs para stacks de celdas de combustibles y la aplicación de las diferentes tecnologías de baterías en el área del almacenamiento de energía. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de 3 patentes otorgadas, una en trámite y coautor de dos solicitudes de diseño industrial. Es miembro de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno y de la Red de Energía Solar.

Tatiana Romero Castañón[[email protected]]

Doctora con especialidad en Celdas de Combustible por la Universidad de British Columbia, Canadá. Maestra en Energía con mención honorífica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Ingeniera Química por la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla (UPAEP). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en al año 2000 y actualmente está adscrita a la Gerencia de Energías Renovables. Desde 2009 pertenece al Sistema Nacional de Investigadores (SNI). Su actividad principal se enfoca al desarrollo de técnicas de caracterización electroquímicas y desarrollo de celdas de combustible con incorporación de nanomateriales. Colabora con la Gerencia de Control e Instrumentación en el desarrollo de un método de control de humidificación para celdas de combustible a base de ultrasonido. Ha coordinado proyectos de colaboración internacionales con Canadá y Brasil, y ha participado en las reuniones de la Agencia Internacional de Energía representando a México en la sección de celdas de combustible. Cuenta con publicaciones en revistas científicas, participación en congresos internacionales. Es autora de 2 patentes otorgadas y coautora de dos solicitudes de diseño industrial.

Irma Lorena Albarrán Sánchez[[email protected]]

Maestra en Ciencias por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester, Inglaterra, con especialidad en Procesos de Separación de Partículas. Ingeniera Química por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM), cuya tesis, desarrollada en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), obtuvo el 2° Lugar del V Concurso Nacional de Tesis CONACYT-CFE-IIE. Ingresó al Departamento de Materiales del IIE en 1991, colaborando en el desarrollo de materiales poliméricos. Reingresó al IIE en 1994, a la hoy Gerencia de Procesos Térmicos, colaborando en la caracterización de fichas de atomización para centrales termoeléctricas mediante técnicas de difractometría láser. Actualmente trabaja en la Gerencia de Energías Renovables, en el desarrollo de tecnología de ensambles membrana-electrodos para celdas de combustible tipo PEM y Electrolizadores tipo PEM. Tiene diversas publicaciones en revistas nacionales e internacionales, es coautora de 3 patentes otorgadas, una en trámite y coautora de dos solicitudes de diseño industrial. Es miembro de la Sociedad Mexicana de Hidrógeno.

Parte dos

Año 40, julio-septiembre de 2016, vol. 40, núm 3, ISSN0185-0059

Parte dos - ineel.mx · Félix Loyola Morales, Manuel de Jesús López Pérez, Javier de la Cruz...

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