Evaluación de aceros inoxidables recubiertos para platos bipolares

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“EVALUACIÓN DE ACEROS INOXIDABLES 
RECUBIERTOS PARA PLATOS BIPOLARES” 
 
 
 
 
 
TESIS PRESENTADA POR: 
 
 
I.Q. MARIELA RENDÓN BELMONTE 
 
 
 
 
 
 
PARA OBTENER EL GRADO DE: 
 
 
MAESTRÍA EN ELECTROQUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
ENERO, 2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO 
EN ELECTROQUIMICA 
 
 
 
 
 
Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 
Electroquímica 
 
 
 
REALIZADO POR: 
 
I. Q. Mariela Rendón Belmonte 
 
 
 
DIRIGIDA POR 
 
Dr. German Orozco Gamboa 
M.C. José Trinidad Pérez Quiroz 
 
 
SINODALES 
 
 
 
 
 
Dr Germán Orozco Gamboa 
Presidente Firma 
 
 
Dr. René Antaño López 
Secretario Firma 
 
 
M.C. José Mojica Gómez 
Vocal Firma 
 
M.C. José Trinidad Pérez Quiroz 
Vocal Firma 
 
 
 
 
R E S U M E N 
 
 
 
Los platos bipolares tienen como función proveer el contacto eléctrico con un mínimo 
de perdida por resistencia eléctrica entre las celdas, distribuir uniformemente los gases 
y ser el soporte mecánico de una celda de combustible. Actualmente el grafito es 
considerado como el material estándar para platos bipolares, por ser muy conductor y 
resistente a la corrosión, pero carece de resistencia mecánica ante shocks, vibraciones 
y para manufacturar volúmenes grandes, es por esto que actualmente se buscan 
materiales que sustituyan el grafito. La atención más reciente está en los metales, 
debido a que poseen resistencia mecánica, tienen mejor durabilidad ante shocks y 
vibraciones, su manufactura es superior y tienen un menor costo comparado con 
materiales de carbono. Sin embargo la principal desventaja de estos materiales es la 
capacidad de combatir la corrosión en el ambiente de una celda de combustible tipo 
PEM. Una alternativa para resolver este problema es utilizar metales nobles, aceros 
inoxidables y recubrimientos de aleaciones ricas en cromo, níquel, nitruros y carburos 
manteniendo el costo efectivo. 
En este trabajo se evaluó la susceptibilidad a la corrosión de tres aleaciones, Ni20Cr, 
NiCrAlY y Cr3C2(NiCr), aplicadas por proyección térmica sobre aceros inoxidables 
ferríticos, y sometidos a la acción corrosiva de una solución de H2SO4 0.5 M + 2 ppm 
F¯ a temperatura ambiente. Para estudiar su comportamiento electroquímico se 
emplearon las técnicas de medición de potencial de corrosión y extrapolación de Tafel 
de acuerdo con las normas ASTM G5 y G59. Los aspectos morfológicos de los 
recubrimientos evaluados fueron analizados por MEB antes y después de los ensayos 
electroquímicos. De acuerdo a los resultados obtenidos, el recubrimiento Cr3C2(NiCr) 
cumple con los criterios de resistencia a la corrosión, para ser considerado su uso en 
las placas de flujo. 
 
 
A B S T R A C T 
 
 
 
The bipolar plates act as the current conductors between cells, provide conduits for 
reactant gases flow and constitute the backbone of a power stack. They are commonly 
made of graphite because of its high corrosion resistance and good surface contact 
resistance; however their manufacturability, permeability and durability against shock 
and vibration are unfavorable in comparison to metals. 
Stainless Steels are considered strong candidates for use as bipolar plates because 
they are easily produced, a wide variety of different types of stainless steel are 
available, they have a high mechanical resistance and they are cheaper than other 
materials (such as gold). A disadvantage of stainless steel is that in the acidic 
environment of a fuel cell, it is unstable and when in direct contact with the acid of the 
membrane/electrolyte, stainless steel experiences certain amount of corrosion. This 
corrosion could contaminate the catalyst and as a consequence, could diminish the 
cell’s efficacy. As a result, there is a need to look for more resistant materials that can 
withstand these conditions. One option is to coat stainless steel with alloys of chrome, 
nickel, nitrates and carbides. It is well-known that a way to increase a materials’ 
resistance to corrosion is with the application of a coating with a higher chemical 
stability than the substrate. 
An electrochemical study of Ni20Cr, NiCrAlY and Cr3C2(NiCr) alloys used in coating 
form made with the Tafel extrapolation. Were evaluated into simulated cathodic PEM 
environments, coatings were applied by Thermal Spray Metal method. The test medium 
was 0.5 M H2SO4 with 2 ppm HF, all tests were performed at room temperature,. The 
icorr values obtained for Ni20Cr and NiCrAlY coatings, the material dissolution, and the 
low resistance to corrosion eliminates the possibility that these coating could be 
candidates for construction bipolar plates for PEM type fuel cells; however with the 
Cr3C2(NiCr) coating, icorr values below 0.016 mA/cm2 were obtained. Materials must 
fulfill this criterion to be considered as candidates in applications such as a bipolar 
plate. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Este trabajo fue realizado en el Centro de 
Investigación y Desarrollo Tecnológico en 
Electroquímica (CIDETEQ), bajo la dirección del 
Dr. Germán Orozco Gamboa 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CON AMOR, RESPETO Y ADMIRACIÓN, 
A QUIENES LES ATRIBUYO TODO LO 
QUE SOY ”MIS PADRES” 
Y A TI ABUELITO POR CREER 
SIEMPRE EN MÍ. 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A DIOS por permitirme estar aquí. 
 
A mis padres: a quienes amo y agradezco mi existencia, su amor, su apoyo 
incondicional, su consejo, su enseñanza moral, su confianza y su ejemplo 
admirable. 
 
A mis hermanos: Rami y Lacho, por darme los ánimos para seguir y no desistir en 
los momentos difíciles, por creer en mí, por su paciencia, apoyo, consejo y amor. A 
mi peloncito a quien amo, adoro y es una de mis inspiraciones para seguir adelante. 
 
A Joers, por estar conmigo y apoyarme incondicionalmente, por compartir conmigo 
buenos momentos, risas y desolaciones, por ser parte del motor de mi 
vida….T.Q.M. 
 
A mis amigos: Jess, Vladi, Trini y Joers, por su amistad, consejo y apoyo 
incondicional siempre brindado. 
 
Al Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (CIDETEQ), 
por abrirme sus puertas y permitirme formar parte de el. 
 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), por el apoyo económico 
proporcionado durante el desarrollo de este proyecto, 
 
Al Consejo de Ciencia y Tecnología del estado de Querétaro (CONCyTEQ), por el 
apoyo económico para asistir a congresos. 
 
Al Instituto Mexicano de Transporte (IMT), por abrirme sus puertas para lograr este 
proyecto. 
 
A mi asesor M.C. José Trinidad Pérez Quiroz, a quien aprecio y admiro por su 
sencillez, su conocimiento, paciencia y calidad humana, de quien agradezco 
profundamente su confianza y apoyo para el desarrollo de este proyecto, así como 
su amistad, sus enseñanzas profesionales y personales. 
 
Al Dr. Jesús Porcayo, agradezco su confianza y apoyo incondicional para el 
desarrollo de este trabajo. 
 
Al Dr. Gérman, agradezco la oportunidad de realizar este proyecto, así como la 
disponibilidad, confianza, apoyo y consejo siempre brindado. 
 
Al Dr. René Antaño y M.C. José Mojica, por la disponibilidad mostrada para lograr la 
culminación de esta etapa de mi vida. 
 
A Isa, por su amabilidad y apoyo siempre brindado, para material bibliográfico que 
necesitaba. 
 
A todas las personas que me apoyaron durante mi estancia en esta Institución. 
 
 
 
A todos mil y un GRACIAS. 
ÍNDICE GENERAL 
 
Resumen i 
Abstract ii 
 
CAPITULO I 
1.-Introducción 1 
 1.1 Funcionamiento de una celda 2 
 1.2.-Elementos de una celda de combustible tipo PEM 4 
 1.3 Características de las celdas de combustible 6 
CAPITULO II 
2.- Antecedentes 9 
 2.1 Metales no recubiertos 9 
 2.1.1 Placas y hojas de ss 316 sin recubrimiento10 
 2.2 Metales recubiertos 11 
 2.2.1 Placas con recubrimiento de oro 11 
 2.2.2 Recubrimientos de TiN 12 
 2.2.3 Recubrimientos de aleaciones Ni-Cr: CrN/Cr2N 13 
 2.2.4 Recubrimientos amorfos de aleaciones base carburo 13 
 2.2.5 Recubrimientos amorfos de aleaciones base Fe 14 
 2.2.6 Recubrimientos por deposición física de vapor (PVD) 14 
 2.3 Estado de la tecnología 15 
 2.4 Justificación 17 
 2.5 Hipótesis 18 
 2.6 Objetivos de la tesis 19 
 2.7 Consideraciones para realizar los experimentos 20 
CAPITULO III 
3.- Desarrollo experimental 22 
 3.1 Materiales 22 
 3.2 Preparación de los materiales 23 
CAPITULO IV 
4.- Resultados y discusión 25 
 4.1 Materiales si recubrimiento 25 
 4.1.1 Acero inoxidable S44400 25 
 4.1.2 Acero inoxidable S7222001 31 
 4.2 Materiales recubiertos 35 
 4.2.1 Acero inoxidable S439 recubierto con la aleación Ni20Cr 35 
 4.2.2 Acero inoxidable S441 recubierto con NiCrAlY 40 
 4.2.3 Acero inoxidable S441 recubierto con la aleación Cr3C2(NiCr) 45 
CAPITULO V 
5.-Conclusiones 51 
6.-Bibliografía 53 
APENDICE A 
 Historia del desarrollo de las celdas de combustible 56 
APENDICE B 
 Aplicaciones de las celdas de combustible PEM 58 
 Tipos de celdas de combustible 59 
APENDICE C 
 Aceros inoxidables 61 
APENDICE D 
 Técnicas de aplicación de los recubrimientos 67 
APENDICE E 
 Técnicas experimentales 79 
APENDICE F 
Curvas de polarización 82 
 
 
 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 1. Representación de una celda de combustible tipo PEM 3 
Figura 2. Representación aproximada del potencial de cada electrodo de una celda 
tipo PEM determinada por Shores 26 
Figura 3. Representación aproximada del potencial del lado del colector de flujo donde 
se suministra oxígeno determinada por Shores 26 
Figura 4. Representación de la interfase estudiada 27 
Figura 5. Curva de polarización del S44400 después de 0.08 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 28 
Figura 6. Curva de polarización del S44400 después de 144 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 28 
Figura 7. Prueba potenciostática del S44400 en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ a 0.6 V vs 
SHE 31 
Figura 8. Curva de polarización del S7222001después de 0.08 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5M + 2 ppm F¯ 32 
Figura 9. Curva de polarización del SS S7222001 después de 288 hrs de exposición 
en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 32 
Figura 10. Curva de polarización del recubrimiento Ni20Cr después de 0.08 hrs de 
exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 37 
Figura 11. Curva de polarización del recubrimiento Ni20Cr después de 360 hrs de 
exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 38 
Figura 12. Curva de polarización del recubrimiento NiCrAlY después de 0.08 hrs de 
exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 41 
Figura 13. Curva de polarización del recubrimiento NiCrAlY después de 192 hrs de 
exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 42 
Figura 14. Curva de polarización del SS 441 recubierto con Cr3C2(NiCr) después de 
0.08 hrs de exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 47 
Figura 15. Curva de polarización del SS 441 recubierto con Cr3C2(NiCr) después de 
576 hrs en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 47 
 
Figura 4.1 Micrografía a 100X del ss S7222001 antes de su evaluación 
 electroquímica. 34 
Figura 4.2 Micrografía a 100X del S7222001 después de su evaluación 
electroquímica 34 
Figura 4.3 Micrografía a 50X del S7222001 después de su evaluación 
 electroquímica 34 
Figura 4.4 Morfología de un material que presenta problemas de corrosión uniforme 
intergranular 34 
Figura 4.5. Micrografía a 100X del perfil de la placa para determinar el espesor del 
recubrimiento Ni20Cr depositado sobre el acero S43000. 39 
Figura 4.6 Micrografía a 200X de recubrimiento Ni20Cr depositado sobre el acero 
S4300 antes de su evaluación electroquímica. 39 
Figura 4.7 Micrografía a 200X del recubrimiento Ni20Cr, depositado sobre el acero 
S43000, después de su evaluación electroquímica 39 
Figura 4.8. Difractograma de productos de corrosión de la evaluación del recubrimiento 
Ni20Cr 40 
Figura 4.9. Micrografía a 100X del perfil de la placa para determinar el espesor del 
recubrimiento NiCrAlY depositado sobre el acero SS 441 44 
Figura 4.10 Micrografía a 200X del recubrimiento NiCrAlY depositado sobre el acero 
SS 441 antes de su evaluación electroquímica 44 
Figura 4.11 Micrografía a 200X y 1000X del recubrimiento NiCrAlY depositado sobre el 
acero SS 4441 después de su evaluación electroquímica. 44 
Figura 4.12 Difractograma de productos de corrosión de la evaluación del 
recubrimiento NiCrAlY 45 
Figura 4.13.- Micrografía a 500X del aspecto de la interfase recubrimiento Cr3C2(NiCr) 
–sustrato 48 
Figura 4.14.- Micrografía a 200X del aspecto superficial del recubrimiento Cr3C2(NiCr) 
depositado sobre el acero SS 441 48 
Figura 4.15. Micrografía a 500X del aspecto en sección transversal, del recubrimiento 
Cr3C2(NiCr) depositado sobre el acero SS 441 49 
 
Figura C.1 Curva de polarización anódica de diferentes aceros, con contenidos 
crecientes de cromo 63 
Figura C.2 Curva de polarización de un acero inoxidable en solución ácida 64 
Figura C.3 Curva de polarización anódica de acero inoxidable 65 
Figura D.1 Proyección térmica por flama de polvos 68 
Figura D.2 Proyección térmica por flama HVOF (High Velocity Oxigen Fuel) 69 
Figura D.3 Proceso de formación del recubrimiento 70 
Figura D.4 Porosidad del recubrimiento 71 
Figura D.5 Defectos del recubrimiento 73 
Figura D.6 Forma de la partícula de alimentación 74 
Figura D.7 Morfología del carburo de cromo depositad 76 
Figura D.8 Vista del sustrato después de la preparación superficial 77 
Figura E.1.- Medición de Ecorr de un sistema solución-metal 79 
Figura E.2 Curva de polarización 80 
Figura E.3 Pendientes de Tafel 81 
Figura F.1 Curvas de polarización del SS 444 expuesto en H2SO4 0.5 M + 2 ppm de F- 
después de a) 0.08 hrs, b) 48 hrs, c) 72 hrs, d) 120 hrs y e) 144 hrs 82 
Figura F.2 Curvas de polarización del SS japónes en H2SO4 0.5 M + 2 ppm de F- 
expuesto después de a) 0.08 hrs, b) 72 hrs, c) 144 hrs, d) 168 hrs, e) 240 hrs, f) 264 
hrs y g) 288 hrs 83 
Figura F.3 Curvas de polarización del SS 439 recubierto con la aleación Ni20Cr 
expuesto en H2SO4 0.5 M + 2 ppm de F- después de a) 0.08 hrs, b) 144 hrs, c) 192 hrs, 
d) 312 hrs y e) 360 hrs 84 
Figura F.4 Curvas de polarización del SS 441 recubierto con la aleación NiCrAlY 
expuesto en H2SO4 0.5 M + 2 ppm de F- después de a) 0.08 hrs, b) 144 hrs, c) 192 hrs, 
d) 312 hrs, e) 360 hrs y f) 480 hrs 85 
Figura F.5 Curvas de polarización del SS 441 recubierto con la aleación Cr3C2(NiCr) 
expuesto en H2SO4 0.5 M + 2 ppm de F- después de a) 0.08 hrs, b) 144 hrs, c) 336 hrs, 
d) 384 hrs y e) 576 hrs 86 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
 
Tabla 1. Reacciones de una celda de combustible tipo PEM 4 
Tabla 2. Materiales sin recubrir 22 
Tabla 3. Materiales con recubrimiento 22 
Tabla 4. Composición química de los aceros inoxidables (% en peso) 23 
Tabla 5. Composición química de las aleaciones (% en peso) 23 
Tabla 6. Resultados del S44400 29 
Tabla 7. Resultados del S7222001 33 
Tabla 8. Resultados del SS 439 recubierto con la aleación Ni20Cr 35 
Tabla 9. Resultados del SS 441 recubierto con NiCrAlY 41 
Tabla 10. Resultados del SS 441 recubierto con la aleación Cr3C2(NiCr) 46 
Tabla B.1 Tipos de celdas de combustible de acuerdo a su tipo de electrolito 60 
Tabla D.1. Temperaturas de combustión de gases 69 
 
 
ÍNDICE DE GRÁFICAS 
 
Grafica 1.- Comportamiento del S44400 en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 29 
Grafica 2. Comportamiento del recubrimiento Ni20Cr, depositado sobre el acero 
S4300, en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 36 
Gráfica 3. Comportamiento del recubrimiento NiCrAlY,depositado sobre el acero SS 
441, en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 43 
Gráfica 4. Comportamiento del SS 441 recubierto con Cr3C2(NiCr) en H2SO4 0.5 M + 2 
ppm F¯ 46 
CAPITULO I 
 
1 
 
1.-INTRODUCCIÓN 
 
Alrededor del 80% de la demanda de la energía mundial es proporcionada por 
combustibles fósiles, lo que genera los dos principales problemas expuestos a 
continuación: 
 
1) La cantidad de los combustibles será escasa en la década del 2020. De acuerdo a la 
estimación por compañías petroleras [1,2], la producción de los combustibles fósiles, 
petróleo y gas natural, alcanzará la cúspide de producción entre los años 2015 y 2020 
y después comenzará a disminuir. Esto significa que habrá una gran crisis, alrededor 
del 2015, entre la demanda y la producción de combustibles. 
 
2) Son causa de serios problemas ambientales, tales como el calentamiento global, el 
cambio de clima, el derretimiento de capas de hielo, el aumento de nivel de mar, la 
presencia de lluvias ácidas, la contaminación y, el daño a la capa de ozono. Además 
los derrames de aceite dañan a las costas, bosques y tierra utilizada para agricultura. 
El daño ambiental mundial estimado está alrededor de 5 x1012 dólares por año [2]. 
 
En los años 70 se iniciaron programas para que el hidrógeno fuese el vector de 
energético que sustituyera a los hidrocarburos. Desde entonces, durante el último 
cuarto del siglo pasado, por medio de investigaciones en universidades y laboratorios 
de investigación alrededor del mundo, la energía de hidrógeno ha llegado a ser una 
tecnología madura. En apéndice A, se presenta la historia del desarrollo tecnológico de 
celdas de combustible. En este siglo, la economía del hidrógeno está comenzando. 
 
El hidrógeno es una excelente fuente de energía con únicas propiedades y es un 
combustible más eficiente y más limpio que los combustibles fósiles. Además, 
mediante procesos electroquímicos este puede ser convertido a electricidad en celdas 
de combustible, con mayor eficiencia que con combustibles fósiles. La razón de la alta 
eficiencia de las celdas de hidrógeno es que la energía proviene de reacciones 
electroquímicas, no de motores de combustión interna y como tales no están limitados 
por el Ciclo de Carnot. Por consiguiente, se espera que durante el presente siglo las 
CAPITULO I 
 
2 
 
celdas de combustible remplacen los motores de calor (motores de combustión interna, 
turbina de vapor y turbina de gas) cuando el hidrógeno remplace los combustibles 
fósiles [2,3]. 
Una celda de combustible es un convertidor de energía electroquímica, que convierte 
la energía química de la celda directamente a electricidad de corriente directa. 
Típicamente, un proceso de generación de electricidad a partir de combustibles 
involucra varios pasos de conversión de energía: 
1) La combustión de combustibles convierte la energía química de combustibles 
en calor, 
2) después este calor es usado para generar vapor, 
3) el vapor es usado en una turbina, donde se convierte la energía térmica en 
energía mecánica y 
4) finalmente la energía mecánica es usada es transformada en otro equipo en 
corriente eléctrica. 
Una celda de combustible evita todos estos procesos y genera electricidad en un solo 
paso sin involucrar alguna parte móvil. Su sencillez ha llamado la atención ya que es 
más eficiente que los cuatro pasos descritos previamente. 
 
1.1 Funcionamiento de una celda 
 
Este trabajo se enfocará al desarrollo de elementos para celdas que utilizan como 
electrolito una membrana polimérica, también llamada celdas de intercambio protónico 
(PEM). A inicio de 1960, fueron conocidas como celdas de combustible de electrolito 
sólido polimérico (SPE). El corazón de una celda PEM, es la membrana polimérica que 
tiene únicas capacidades. Es permeable a gases, pero capaz de conducir protones (de 
aquí su nombre, membrana de intercambio de protones). La membrana que actúa 
como el electrolito, es el contacto iónico entre los dos electrodos. Estos electrodos son 
típicamente construidos de carbono o fibra de carbono y se esquematizan en la Figura 
1. La interfase entre el electrodo poroso y la membrana polimérica está formada por 
una capa con partículas de electrocatalizador, típicamente platino sobre carbono 
poroso. Las reacciones electroquímicas suceden en la superficie del electrocatalizador, 
en la zona donde está en contacto con la membrana (electrolito) y el gas. El hidrógeno 
CAPITULO I 
 
3 
 
es alimentado en una cara de la membrana, al reaccionar este gas en la capa 
electrocatalítica se divide en sus constituyentes primarios con base en la reacción RA, 
protones y electrones (cada átomo de Hidrógeno consiste de un electrón y un protón). 
Los protones viajan a través de la membrana, mientras los electrones viajan 
eléctricamente a través de los electrodos conductores, generando la potencia eléctrica 
útil. Se cierra el circuito eléctrico exterior al llegar un electrón a la otra cara de la 
membrana, véase Figura 1. En esta cara de la membrana los electrones se encuentran 
con los protones que viajaron a través de la membrana y el Oxígeno que es 
suministrado, como se muestra en la reacción RC (Tabla 1). Entonces se produce agua 
en la reacción electroquímica (RC y RG) y esta es empujada hacia fuera de la celda con 
un exceso de flujo de Oxígeno. El resultado total de estas reacciones simultáneas es la 
corriente de electrones a través de un circuito externo (corriente eléctrica directa) [2]. 
 
H2
O2
H2O Y
CALOR
H+
CORRIENTE
ELECTRICA
ÁNODO CÁTODO
e-
e-
PLATO 
COLECTOR
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION)
H+
H+
e-
e-
H2
O2
H2O Y
CALOR
H+
CORRIENTE
ELECTRICA
ÁNODO CÁTODO
e-
e-
PLATO 
COLECTOR
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION)
H+
H+
H2
O2
H2O Y
CALOR
H+
CORRIENTE
ELECTRICA
ÁNODO CÁTODO
e-
e-
PLATO 
COLECTOR
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION)
H+
H+
H2O Y
CALOR
H+
CORRIENTE
ELECTRICA
ÁNODO CÁTODO
e-
e-
PLATO 
COLECTOR
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION)
H+
H+
e-
e-
 
 
 Figura 1. Representación de una celda de combustible tipo PEM 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO I 
 
4 
 
 
Tabla 1. Reacciones de una celda de combustible tipo PEM 
 Reacción 
RA Ánodo −+ +→ eHH 222 
RC Cátodo OHHeO 22 222/1 →++
+−
 
 
RG Global OHOH 222 2/1 →+ 
 
1.2.-Elementos de una celda de combustible tipo PEM: 
 
a) Colectores de corriente: o también llamados platos bipolares, tienen como función 
proveer el contacto eléctrico con un mínimo de perdida por resistencia eléctrica entre 
las celdas, distribuir uniformemente los gases y ser resistentes a la corrosión. Los 
colectores de corriente también pueden ser nombrados placas de flujo debido a su 
función de distribuir gases. 
 
b) Difusores: su función principal es asegurar una difusión uniforme de los gases al 
ser dirigidos hacia las especies electrocatalizadoras ubicadas en los extremos de la 
membrana y hacia los platos bipolares. Usualmente son elaborados con base en grafito 
debido a la capacidad de transporte de los electrones de este material requeridos para 
la reacción de oxidación en el lado del cátodo, así como la entrada de los mismos en 
dirección al ánodo. 
 
c) Membrana: es un polímero perfluorosulfonado, comúnmente Nafión, desarrollado 
por la empresa Dupont, que permite el paso y transporte de los iones cargados 
positivamente, su desempeño se encuentra limitado por la capacidad del electrolito de 
transportar eficazmente los iones de hidrógeno. Para lograrlo, la membrana se apoya 
en la presencia de agua en forma líquida la cual se introduce en forma de niebla dentro 
de la celda. Posteriormente, el agua es proporcionada como uno de los subproducto de 
la reacción consecuente; no obstante, el mismo uso del agua seencuentra limitado a 
temperaturas inferiores de los 90°C debido a que otro de los subproductos, el calor, 
CAPITULO I 
 
5 
 
podría evaporar el agua disminuyendo de manera significativa el transporte de los 
iones y finalmente inhabilitando a la celda de toda función. 
 
d) Capa electroactiva: la capa electrocatalítica está compuesta de carbono poroso, 
comúnmente Vulcan XC72 (Cabot), con platino (Pt) disperso, ya que es el mejor 
electrocatalizador para la oxidación de Hidrógeno (ROH) y reducción de Oxígeno 
(RRO). 
 
e) Ensamble membrana electrodo: conocida como “MEA”, por sus siglas en inglés 
“Membrane Electrode Assembly”, el ensamble membrana electrodo es considerado 
como el corazón de la celda de combustible debido a que en este se llevan a cabo las 
reacciones electroquímicas de oxidación y reducción. Los componentes que 
constituyen el ensamble membrana electrodo son: el ánodo que además de 
proporcionar la polaridad negativa para la celda combustible, recolecta los electrones 
resultantes de la electrólisis de las moléculas de hidrógeno conduciéndolos fuera de la 
celda para ser utilizados como fuerza impulsora de un circuito externo, el cátodo que 
proporciona una polaridad positiva; así mismo conduce los electrones provenientes del 
circuito eléctrico externo de regreso a la celda y la membrana que permite el paso y 
transporte de los iones cargados positivamente. 
 
f) Electrocatalizador: dentro de la celda de combustible se llevan a cabo dos medias 
reacciones, una de ellas ocurre en el ánodo y corresponde a la oxidación del 
hidrógeno; la otra media reacción consiste en la reducción del oxígeno desarrollándose 
en el cátodo (Tabla 1). Normalmente, las dos medias reacciones ocurren de manera 
espontánea dentro de la celda de combustible, pero a velocidades muy bajas; debido a 
esto, es necesario el uso de electrocatalizadores capaces de acelerar dichas 
reacciones. El platino es la mejor especie electrocatalítica, hasta ahora estudiada, 
presenta una excelente estabilidad térmica y eléctrica, así como una capacidad para 
resistir ataques químicos. Una desventaja de utilizar platino en una celda PEM es que 
este es susceptible de envenenamiento por CO a temperaturas inferiores a los 150°C, 
por restricciones de otros componentes de la celda, particularmente de la membrana, 
no es posible operarla a temperaturas mayores a 100°C. Este envenenamiento ocurre 
CAPITULO I 
 
6 
 
siempre que se utilizan gases producto de un proceso de reformado, 100 ppm de CO 
son suficientes para una enorme caída en eficiencia de la celda. Debido a esto, 
actualmente se están estudiando electrocatalizadores alternos o aleaciones de platino 
con otros metales, que sean tolerantes al CO. 
 
g) Empaques: entre los problemas más frecuentes ocurridos durante la operación de 
las celdas de combustible se encuentran las fugas de los gases. Esto se debe a que 
los combustibles tienen que recorrer los canales que se encuentran en los platos 
bipolares, alcanzar y penetrar las esquinas de los electrodos porosos, haciendo que 
cada arista expuesta se convierte en una ruta potencial de escape para los gases. 
Otros puntos problemáticos son las uniones entre platos bipolares. Esto hace 
necesario el uso de empaques plásticos, usualmente de Teflón (PTFE) o de materiales 
termoplásticos, cuya función consiste en asegurar el sellado de la celda evitando la 
fuga de los gases. 
 
h) Cabezales: son placas sólidas ubicadas en los extremos de la celda, éstas hacen 
que el aspecto completo del apilamiento de celdas o stack, se asemeje al de un filtro 
prensa. En los cabezales se encuentran todas las conexiones necesarias para el 
correcto funcionamiento del stack. 
 
i) Sistema de cerrado: junto con los cabezales, el sistema de cerrado proporciona la 
fuerza y resistencia mecánica necesarias para la compresión de los componentes de la 
celda de combustible. Se componen principalmente de barras con tuercas y resortes 
los cuales garantizan la obtención de una presión constante durante los ciclos de 
operación del stack. 
 
1.3 Características de las celdas de combustible 
 
Las celdas de combustible son una tecnología energética prometedora, con una amplia 
gama de posibles aplicaciones, ya que poseen propiedades que las hacen atractivas 
comparadas con otros sistemas de energía. Algunas propiedades son: 
 
CAPITULO I 
 
7 
 
 Promesa de alta eficiencia: la eficiencia de las celdas de combustible es 
mucho mayor que la ingeniería de combustión interna. La eficiencia de las 
celdas de combustible es mayor que la eficiencia de plantas de generación de 
electricidad convencional y por lo tanto pueden ser usadas para descentralizar 
generación de electricidad. 
 Promesa de bajas o cero emisiones: las celdas de combustible que operan 
con hidrógeno generan cero emisiones, lo único que generan es aire y agua. 
Eso puede ser atractivo no solo para transporte, también para otras 
aplicaciones, como submarinos. Sin embargo, el hidrógeno es un combustible 
que no se obtiene con facilidad y si la celda es equipada con un procesador para 
generar hidrógeno, o si el metanol es usado en el lugar de hidrógeno, algunas 
emisiones son generadas, incluyendo dióxido de carbono. En general estas 
emisiones son más bajas, comparando con las tecnologías convencionales de 
conversión de energía. 
 Simplicidad y promesa de bajo costo: las celdas de combustible son 
extremadamente simples. Son hechas en capas de componentes repetitivos y 
no tienen partes movibles. Estas tienen el potencial para ser producidas en 
masa a un costo comparable con las tecnologías de conversión de energía 
existentes. Como dato, las celdas de combustible son aún costosas para autos o 
generación estacionaria de electricidad, primero porque los materiales que se 
usan son costosos, tales como la membrana de intercambio protónico y los 
metales nobles como platino y rutenio, utilizados como electrocatalizadores. La 
tecnología actual de las celdas de combustible puede alcanzar el tempo de vida 
aceptable para aplicación automotriz (3000-5000 hrs), pero la durabilidad de 
éstas debe mejorar en un orden de magnitud para su uso en generación en 
plantas estacionarias de electricidad (donde se requiere de 40,000-80,000 hrs). 
 Modular: las celdas de combustible son por naturaleza modulares, si se 
requiere generar más poder simplemente se adicionan más celdas. La 
producción masiva de celdas de combustible puede ser significativamente 
menos costosa que las plantas de energía tradicionales. Por lo tanto pueden 
disminuir la necesidad de la construcción de plantas de gran potencia eléctrica. 
CAPITULO I 
 
8 
 
 Cero emisiones de ruido: las celdas de combustible son inherentemente 
silenciosas, lo cual las hace atractivas para una variedad de aplicaciones, tales 
como energía portátil, energía de reserva y aplicaciones militares. 
 Tamaño y peso: las celdas pueden hacerse de diferentes tamaños, desde 
microwatts a megawatts, lo cual permite utilizarlas en diferentes aplicaciones, 
desde aparatos electrónicos a energía total de edificios. El tamaño y peso de las 
celdas de combustible automotrices se aproximan a motores de combustión 
interna, y el tamaño y peso de las pequeñas celdas pueden ofrece ventajas 
sobre tecnologías competidoras, como baterías de aparatos electrónicos [2]. 
 
Este trabajo de tesis se enfoca al estudio de materiales para las placas de flujo, que 
son el elemento que da mayor volumen de una celda tipo PEM. Estas placas de flujo 
cumplen múltiples funciones tales como: 1) son el soporte mecánico del ensamble 
membrana electrodo (MEA), 2) simultáneamente conectan eléctricamente las celdas 
adyacentes en un stack, 3) distribuyen los gases reactivos a los electrodos a través de 
los canales de flujo, 4) y por estos mismos se desaloja el agua generada en el cátodo. 
 
CAPITULO II 
 
9 
 
2.- ANTECEDENTES 
 
Actualmente el grafito seconsidera como el material estándar para platos bipolares, 
por ser muy conductor y resistente a la corrosión, pero carece de resistencia mecánica 
ante vibraciones y su costo de manufactura es elevado para volúmenes grandes, es 
por esto que actualmente se buscan materiales que sustituyan el grafito. La atención 
más reciente está en los metales, debido a que poseen una excelente resistencia 
mecánica y tienen mejor durabilidad ante vibraciones [18-24]. Sin embargo la principal 
desventaja de estos materiales, es su inestabilidad en el medio de una celda de 
combustible tipo PEM. A continuación se presenta un resumen de la información 
consultada sobre materiales estudiados, para su aplicación como placas de flujo en 
una celda de combustible tipo PEM [18-24]. 
 
2.1 Metales no recubiertos: 
Hermann [20] reportó que las placas de flujo de aluminio, cobre, aceros inoxidables, 
titanio y níquel expuestas al medio de una celda sufren problemas de corrosión y 
disolución del material. Este investigador observó que se forma una capa de corrosión 
en la superficie de la placa, la cual detiene la corrosión progresiva de las capas debajo 
de está. Sin embargo esta capa interfacial de óxido aísla eléctricamente, es decir 
disminuye el contacto eléctrico y por lo tanto disminuye la potencia eléctrica de la 
celda. 
Davies [28] reportó la resistencia eléctrica interfacial (ICR) del acero inoxidable 321, 304, 
347, 316 y 310, inconel 800, inconel 601 y grafito. Esta ICR fue determinada bajo 
compactación de 220 N/cm2. Además Davies reportó que el espesor de la película 
pasiva disminuye en el siguiente orden: 321>304>316>347>310>904>inconel 800> 
inconel 601. El orden de aumento de la ICR a altos potenciales observado fue el 
siguiente: grafito< 310< Ti < 316. Tanto lo observado por Hermann [20] y Davies [27] 
sobre el comportamiento de las placas de flujo indica que el espesor de la capa pasiva 
y la resistencia al contacto eléctrico están relacionados de la siguiente manera: con 
una capa pasiva gruesa la resistencia de contacto aumenta, lo cual genera calor y es 
menor la energía eléctrica producida. 
CAPITULO II 
 
10 
 
Wang [23,29] reporta que los ss 349TM y ss 446 con alto contenido de cromo muestran 
buena resistencia a la corrosión y podrían ser utilizados como las placas de flujo, el ss 
446 requiere mejoramiento en la resistencia de contacto debido a la formación de una 
capa pasiva de Cr2O3. También verifica que el cromo forma la capa pasiva en la 
superficie del ss y concluye que el contenido de este metal en los ss mejora la 
resistencia a la corrosión. Sin embargo un espesor grande de la capa pasiva de Cr2O3 
no conductor producirá una considerable baja en la superficie de contacto. 
Wang y Turner [23,29] estudiaron los ss 434, ss 436, ss 441, ss 444 y ss 446, ellos 
notaron la formación de una capa pasiva muy estable para el ss 446, pero disminuye el 
contacto eléctrico, por lo que recomiendan modificar la capa pasiva dominada por el 
óxido de cromo. También estimaron que el espesor de la capa pasiva fue de 2.6 nm 
para 0,1 V en simulación del medio anódico y 3 nm para 0,6 V en simulación catódica. 
En los estudios realizados se llega a la conclusión que la resistencia a la corrosión se 
debe al Cr, pero esto genera una alta ICR. Un metal en los aceros e inconeles que 
puede disminuir la ICR es el Ni, pero la resistencia a la corrosión con este metal no es 
la adecuada [30]. 
La capa de óxido formada en la superficie de metales como Aluminio, Titanio y Níquel 
es una capa pasiva con buena resistencia a la corrosión, pero el contacto eléctrico es 
muy pobre y peor que en caso de los aceros inoxidables. 
 
2.1.1 Placas y hojas de ss 316 sin recubrimiento: 
Wilson [24] estudió el desempeño de una celda construida con platos de ss 316 sin 
recubrimiento durante 2000 hrs de operación. Al término de pruebas analizó el 
ensamble membrana electrodo por rayos X y determinó la presencia de metales como 
Fe y Ni en cantidades apreciables. Según sus resultados las aleaciones ss 304 y ss 
316 no ofrecen la suficiente resistencia a la corrosión que requiere una celda PEM. La 
diferencia entre los tipos de acero se debe a la presencia de Mo, el cual mejora las 
propiedades para resistir a la corrosión. Un comportamiento similar fue observado por 
Rivas para aceros 304, 316 y 321 [31-32]. 
 
 
 
CAPITULO II 
 
11 
 
2.2 Metales recubiertos: 
La estrategia de recubrir los materiales que servirán como placas de flujo no es nueva, 
ya en 1960 General Electric utilizaba como material de platos de flujo titanio y niobio 
recubierto con oro [24]. El recubrimiento debe ser resistente a la corrosión y muy buen 
conductor eléctrico. Además Woodman [33] comentó que no debe existir una gran 
diferencia en la constante de expansión térmica entre sustrato y el recubrimiento, 
considerando que la celdas operan entre 75-125 ºC. Si estas constantes son muy 
similares, se asegura que al expandirse los materiales por calentamiento no se 
generan grietas en el recubrimiento, las cuales permitirían la corrosión. 
Las placas de metal son recubiertas con capas protectoras de la corrosión, que a la 
vez deben ser conductores y adherentes al metal base, estas pueden ser de dos tipos: 
 
I. Recubrimientos base-carbono: incluyen grafito, polímeros conductores, polvo de 
carbono, monopolímeros orgánicos. 
 
II. Recubrimientos base-metal: incluyen metales nobles, nitruros y carburos. 
 
Los recubrimientos clasificados como el número I no demuestran una viabilidad técnica 
para producirse en masa [24]. A continuación se resumen los recubrimientos más 
importantes del tipo II. 
 
2.2.1 Placas con recubrimiento de oro: 
Wind [34] también indica que el ss 316L y aluminio recubierto de oro tienen el mismo 
comportamiento que el grafito. Woodman [33] midió el coeficiente de expansión térmica 
para el Aluminio (24 µin entre la temperaturas de 0 a 400 ºC) y para el oro (14 µin en el 
mismo rango de temperatura), los autores concluyen que la diferencia de coeficiente de 
expansión térmica fue de 0.11% a 120 ºC y el mecanismo del recubrimiento fracasó 
con inicio de deformación plástica del material recubierto. El fracaso de un 
recubrimiento de oro puede esperarse con un coeficiente de expansión de solo 0.08% 
para deformarse. 
Es necesario mejorar la técnica de aplicación y preparación de la superficie para 
aumentar la adherencia del oro con el sustrato y con ello eliminar la posibilidad de 
CAPITULO II 
 
12 
 
separación. En 1999 [33] las placas de flujo de grafito tenían un costo de US $89kw-1, 
las placas de aluminio con recubrimiento de oro costaban US $346kw-1 y la placa de 
aluminio sin recubrimiento, de US $2.71kW-1, por lo tanto el oro no resultó aceptable 
por su costo. 
 
2.2.2 Recubrimientos de TiN: 
Li [35] ha investigado el comportamiento del recubrimiento TiN sobre ss 316, en una 
disolución que simula el medio de una celda PEM. La disolución contenía 0.01 M HCl / 
0.01 M Na2SO4 y se burbujearon H2 y O2 a saturación. Observó que existe aceptable 
resistencia a la corrosión y buena pasivación bajo estas condiciones, también reportó 
que se observaron pequeñas perdidas de recubrimiento durante la utilización del 
recubrimiento por 1000 h como cátodo y 240 h como ánodo. 
Los autores reportan que el recubrimiento TiN ofrece mejor resistencia a la corrosión y 
conductividad eléctrica que el ss 316. Sin embargo es necesario mejorar la calidad del 
recubrimiento y someterlo a largos tiempo de simulación de las condiciones de una 
celda PEM. 
Cho [36] reporta que el tiempo de vida del ss 316 mejora con la capa de TiN, aplicado 
por medio de HCD (Hollow Cathode Discharge), este método consiste en una cámara 
de vacío con una presión de 3x10-6 Torr que es purgada con argón y después se 
introduce la lámina del ss y se evapora el Ti con una descarga de voltaje de 260 V. 
Con esta técnica se logró un 1 µm de espesordel recubrimiento. La energía de 
superficie de una placa de flujo es otro factor importante que afecta el desempeño de la 
celda, ya que de esta energía dependerá la humectación, es decir la capacidad para 
lograr un buen drenado del agua producida por la reacción catódica. Esta agua debe 
ser inmediatamente removida para evitar las inundaciones que disminuyan la potencia 
eléctrica, particularmente a altas densidades de corriente. 
La alta resistencia al contacto de un plato bipolar reducirá la energía eléctrica 
producida debido a la conversión parcial de calor. Los platos bipolares con baja 
energía de superficie, es decir, bajo ángulo de contacto de superficie (<90º) contribuirá 
al inundamiento del cátodo dentro de la celda. Para evaluar la energía de superficie de 
diferentes materiales, el ángulo de contacto puede ser medido y evaluado. El alto 
ángulo de contacto es un indicador de una alta energía de superficie o tensión de 
CAPITULO II 
 
13 
 
superficie de un material y baja superficie mojada. Por ejemplo el ángulo de contacto 
del grafito y el ss 316 recubierto de TiN es casi el mismo e igual a 90º mientras para el 
ss 316 es de 60º. Resultados obtenidos por Cho [36] muestran que el ss 316 tiene baja 
energía de superficie y por lo tanto mayor tendencia a inundar el cátodo que el grafito y 
ss 316 recubierto de TiN. 
Rivas [32] estudio un recubrimiento comercial de TiN que presentó un bajo desempeño 
debido a un espesor muy delgado del recubrimiento. 
 
2.2.3 Recubrimientos de aleaciones Ni-Cr: CrN/Cr2N 
Brady [37] desarrollo procesos de nitruración para formar recubrimientos libres de 
defectos o libres de poros de CrN/Cr2N. El recubrimiento mostró una excelente 
resistencia a la corrosión y baja resistencia de contacto, por lo que la capa es 
eléctricamente conductora. La nitruración se efectuó sobre una superficie de ss 446. 
Dependiendo de la condiciones nitruración es posible formar una superficie densa de 
Nitruro-Cr, que puede disminuir la resistencia al contacto sobre un orden de magnitud 
sin comprometer la resistencia a la corrosión. Este tipo de recubrimientos es 
prometedor para placas de flujo. 
 
2.2.4 Recubrimientos amorfos de aleaciones base carburo: 
Tawfik y colaboradores [24], desarrollaron recubrimientos con alta resistencia a la 
corrosión fabricados por aumento de la densidad (densificación) de aleaciones base 
carburo y fueron aplicadas sobre platos de aluminio y aceros inoxidables. Comparando 
el coeficiente de expansión térmica para ambos metales, se deduce que existe una 
fuerte unión entre el sustrato y el recubrimiento, excluyendo la posibilidad de 
delaminación del recubrimiento. La densificación del recubrimiento fue producida por la 
técnica de proyección térmica: alta velocidad de combustible (HVOF), que minimiza la 
existencia de poros en la capa del recubrimiento, ofreciendo protección a la corrosión y 
prevención a medios corrosivos. La técnica HVOF es explicada en el Apéndice D. Las 
curvas de polarización del recubrimiento sobre platos de aluminio muestran una 
pequeña variación durante 1000 h, la consistencia del comportamiento del 
recubrimiento indica lo siguiente: 
 
CAPITULO II 
 
14 
 
I. Escasez de la formación de óxido o capa pasiva que es usualmente asociada 
con el incremento en la resistencia a la superficie de contacto. 
II. Escasez de envenenamiento de la membrana por disolución del metal. 
 
Las pruebas electroquímicas de las aleaciones muestran corrientes de corrosión 
dentro del orden de magnitud de observadas para grafito (0.016 mA/cm2) [grafito]. La 
resistencia de superficie de contacto o ICR de las aleaciones, bajo 140 N de fuerza de 
compresión, muestran resultados de 15 mΩcm2. Estos recubrimientos son 
prometedores para placas de flujo celdas de combustible. 
Natesan y Johnson [24] estudiaron el ss 310 recubierto de carburo de cromo y otros 
recubrimientos de cromo, en medios con presencia de O2 y S en un rango de 
Temperaturas de 650-875 ºC. Los recubrimientos fueron desarrollados por el método 
de electro-spark (arco de chispas) de corta duración; es decir se aplicaron pulsos de 
alta corriente eléctrica para fundir el metal y depositarlo en el sustrato metálico. 
Observaron que en un medio con altos sulfuros, los materiales no recubiertos muestran 
corrosión por sulfuros, en cambio el recubrimiento de cromo presentó corrosión 
moderada y el recubrimiento de carburo de cromo presentó muy pequeños problemas 
de corrosión. 
 
2.2.5 Recubrimientos amorfos de aleaciones base Fe: 
Jayaraj [24] investigó el comportamiento de dos aleaciones Fe48Cr15Mo14Y2C15B6 y 
Fe50Cr18Mo8Al2Y2C14B6 bajo condiciones que simulan el medio de una celda de 
combustible, burbujeando H2 y O2 en una disolución 1 M H2SO4 + 2 ppm F¯, a 75 ºC. La 
aleación Fe50Cr18Mo8Al2Y2C14B6 mostró alta resistencia a la corrosión en relación 
con el ss 316 de mismo contenido de cromo, lo que lo llevó a reafirmar que la cantidad 
de cromo juega un papel importante para la resistencia a la corrosión. 
 
2.2.6 Recubrimientos por deposición física de vapor (PVD): 
Lee [24] aplicó el recubrimiento clasificado como YZU001 sobre aluminio por la técnica 
Physical Vapor Deposition (PVD) y comparó su desempeño con el ss 316 y grafito. Las 
velocidades de corrosión fueron estimadas por el método de extrapolación de Tafel. 
Observó que en el plato de ss 316 se formó de manera natural la capa pasiva, la cual 
CAPITULO II 
 
15 
 
tuvo valores menores de velocidad de corrosión que el recubrimiento YZU001 sobre 
Aluminio, sin embargo el ss tuvo una resistencia de contacto alta, lo que reduce el 
desempeño de la celda. Los platos de Al recubiertos tuvieron menor resistencia al 
contacto y un mejor rendimiento, pero el periodo de vida fue corto. El recubrimiento y el 
ss 316, mostraron un mejor comportamiento que el grafito a bajos voltajes, pero un 
corto período de vida. 
 
2.3 Estado de la tecnología 
 
E. Chen [2] describe el desarrollo histórico de las celdas de combustible y en el 
Apéndice A se proporciona un resumen del desarrollo de esta tecnología. La 
comercialización de las pilas de combustible no dejó de crecer en el 2007, según un 
informe de Fuel Cell Today [4]. En este año el número de unidades entregadas aumentó 
en un 75%, es decir existen alrededor de unas 12,000 celdas nuevas. Fuel Cell hoy 
considera que la capacidad global actual de la fabricación es de alrededor 100,000 
unidades por año, de las cuales una cuarta parte provienen de compañías cuya 
actividad económica es exclusivamente el desarrollo de las tecnologías de hidrógeno y 
celdas de combustible. En el Apéndice B, se enumeran varias aplicaciones de las 
celdas de combustible y los diferentes tipos de celdas. 
 
Las memorias del congreso “Fuel Cell Seminar 2008” [5], donde se presenta en estado 
de la tecnología más reciente, permiten llegar a las conclusiones siguientes: 
 
1. Existen tres tipos de celdas (Apéndice B) que dominan el mercado. Estas son 
celdas de membrana polimérica (PEM), las celdas de oxidación directa de 
metanol y las celdas de óxidos sólidos. 
2. En el caso de las celdas PEM existen varios proveedores de producción masiva, 
con capacidades mayores de producción a los 10 m2 por día de ensamble 
membrana electrodo. Por lo tanto el costo es menor que los ensambles 
realizados en laboratorio. 
3. En el caso de celdas de PEM existen tres tipos de proveedores de colectores de 
corriente (placas de flujo) de producción masiva. Un tipo de proveedores ofrece 
CAPITULO II 
 
16 
 
un estampado adiabático de metales, otro tipo genera los canales de flujo 
mediante disolución química y el tercer grupo lo componen los productores de 
placas de flujo mediante inyección de mezclas grafito polímero. 
4. El costo de la celda tiende a disminuir gradualmente. 
5. Existen mejoras en los autos de celdas de combustible, sin embargo una 
disminución del costo se obtendrá con producciónmasiva. 
6. La tecnología de celdas tipo PEM es madura, sin embargo existen muchas 
investigaciones alrededor de la electrocatálisis para mejorar su rendimiento, ya 
que el ensamble membrana electrodo es el elemento más costoso. 
7. No existe venta directa de membranas nafion, ni carbono poroso para 
producción masiva, pero si venta masiva de ensambles membrana electrodo. 
 
Existe información contradictoria de cuándo se establecerá la economía de hidrógeno a 
escala mundial, pero es un hecho que el hidrógeno obtendrá cada vez más importancia 
y quizás se cumplan las predicciones de que en el año 2010 el mercado mundial de las 
celdas de combustible será de $30 billones de dólares americanos [6,7]. En el año 2003 
las celdas de combustible generaron una economía de $1.1 billón de dólares 
americanos en el ámbito mundial [7]. 
 
En México existe un gran potencial para las celdas combustible, por ejemplo si un 5% 
de los hospitales en el país utilizarán celdas de combustible, el mercado potencial sería 
de $ 8.3 millones de dólares americanos [8]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO II 
 
17 
 
2.4 Justificación 
 
Actualmente en todo el mundo existen graves problemas de contaminación ambiental y 
escasez de combustibles fósiles, que son necesarios para generar energía eléctrica, 
por esto surge la necesidad de desarrollar nuevas fuentes de energía sustentables que 
utilicen combustibles amigables con el ambiente. Una alternativa son las celdas de 
combustible PEM, que emplean Oxígeno e Hidrógeno como combustibles, generando 
energía eléctrica, y como subproducto agua y calor sin emitir contaminantes. Diversas 
investigaciones se han desarrollado en países tales como Estados Unidos y Japón [9]. 
En México aún es una tecnología en desarrollo, puesto que existen diferentes grupos 
de investigación como el IPN, UNAM-Morelos, UAM-Azcapotzalco, CINVESTAV-DF, 
UAM-Iztapalapa, IIE-Cuernavaca, BUAP-Puebla, ITT-Toluca, UNAM-DF, CICESE-
Ensenada, CICY-Yucatán y CIDETEQ-Querétaro, que realizan investigaciones sobre la 
obtención y almacenamiento del hidrógeno, optimización y mejora de algunos 
materiales que conforman la celda PEM, para posteriormente ofrecerlas al mercado 
como fuente alterna de energía. 
Como se describió en el capítulo 1 la celda tiene diferentes componentes, este trabajo 
se enfoca a las placas de flujo, que son el elemento que da mayor volumen a una 
celda de combustible tipo PEM. 
Durante el proceso electroquímico que genera energía eléctrica la membrana 
polimérica (electrolito) se degrada, produciendo iones tales como: F-, SO42-, SO32-, 
HSO-4, HSO-3 y HCO-3, quienes en conjunto con la humedad generada durante la 
reacción favorecen la formación de una disolución ácida con valores de pH= 1-4, 
provocando problemas de corrosión en la placa de flujo o plato colector y en 
consecuencia la eficiencia de la celda disminuye [25]. Una posibilidad de combatir este 
problema es utilizar metales nobles, aceros inoxidables y recubrimientos de aleaciones 
ricas en Cromo, Níquel, Nitruros y Carburos manteniendo una buena relación 
costo/desempeño [20, 24, 26,27 ]. 
En el grupo de trabajo de CIDETEQ se han estudiado diferentes tipos de acero [11-17] y 
se ha determinado que las placas de flujo construidas con acero inoxidable permiten 
una potencia eléctrica aceptable, como para ser usados en celdas comerciales, sin 
embargo es necesario explorar sí los recubrimientos aumentan la resistencia a la 
CAPITULO II 
 
18 
 
corrosión y disminuyen la resistencia eléctrica. Por lo anterior se considera que aceros 
con mayor contenido de Cr (316, 349 etc.) son los únicos viables para construir las 
placas de flujo, no obstante, para un mejor desempeño es necesario recubrirlos con un 
material conductor, ya que la capa pasiva que protege estos aceros contra la corrosión 
puede generar una alta resistencia eléctrica. 
Con base en lo expuesto anteriormente, se propone en esta investigación evaluar 
aceros inoxidables recubiertos que sean resistentes al ataque de los iones descritos 
anteriormente, considerando que en México existe la producción de acero inoxidable y 
en Querétaro existe una gran industria metal mecánica donde se pueden desarrollar 
los procesos de estampado o maquinado de estos materiales para una producción 
masiva lo que disminuiría el costo. Estos estudios permitirán contribuir a determinar la 
factibilidad técnica de utilizar aceros inoxidables sin y con recubrimiento. 
También se propone iniciar el estudio con pruebas fuera de la celda (out-of-stack), ya 
que estas son de menor costo y permiten discriminar fácilmente entre materiales. Si el 
material tiene una densidad de corriente de corrosión mayor a 0.016 mA/cm2 [17,20], no 
podrá considerarse para pruebas dentro de la celda (in- stack). 
 
2.5 Hipótesis 
Con base en lo reportado en literatura, el contenido de cromo es substancial para la 
resistencia a la corrosión, debido a la formación del Cr2O3 sobre la superficie y el 
contenido de níquel favorece el contacto eléctrico, por lo que se espera que las placas 
de acero inoxidable recubiertas con aleaciones con contenido de cromo y níquel, 
cumplan con los criterios requeridos para construir placas de flujo de una celda de 
combustible tipo PEM. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO II 
 
19 
 
2.6 Objetivos de la tesis 
 
Objetivo principal: Determinar recubrimientos para acero inoxidable que 
puedan ser usados para construir placas de flujo para una celda de combustible 
tipo PEM. 
 
Objetivos específicos: 
 Seleccionar aleaciones con contenido de cromo que incrementen la 
resistencia a la corrosión en condiciones de una celda de combustible tipo 
PEM y con contenido de níquel para disminuir la resistencia de contacto 
eléctrico. 
 Aplicar las aleaciones seleccionadas sobre aceros inoxidables, mediante 
las técnicas de proyección térmica de polvos: rociado por flama y alta 
velocidad de oxígeno-combustible. 
 Realizar curvas de polarización para los aceros inoxidables recubiertos, 
para conocer, su rango de pasivación en condiciones que simulen la 
degradación severa de la membrana, 
 Seleccionar la aleación con mejor comportamiento en el medio de una 
celda de combustible tipo PEM. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO II 
 
20 
 
2.7 Consideraciones para realizar los experimentos 
Los artículos anteriormente resumidos y la experimentación realizada con anterioridad 
en el CIDETEQ [11-17], permiten plantear el estudio con las siguientes consideraciones: 
 
 El contenido de cromo en el material juega un papel importante, pues a mayor 
contenido mayor resistencia a la corrosión en el medio de una celda de 
combustible tipo PEM. Considerando esta información y sí observamos el 
diagrama de Pourbaix del cromo en el rango de pH (1-4) al que esta expuesto el 
plato colector de flujo, esta dentro del área de pasivación. 
 Se decidió utilizar aceros ferríticos debido a su buen comportamiento ante la 
corrosión [23], además que su costo es en promedio la mitad que los aceros 
austeníticos. 
 Se decidió utilizar los recubrimientos: Ni20Cr, Cr3C2(NiCr) y NiCrAlY, debido a la 
posibilidad de una alta resistencia a la corrosión a la vez de un bajo valor de ICR 
[37]. 
 Se decidió utilizar un método de proyección térmica debido a que sean han 
observado buenos resultados en la formación del recubrimiento [24]. En especial 
se usó el método de proyección térmica por rociado por flama de polvos, debido 
a la posibilidad de aplicación de bajo costo de operación. También se exploró el 
método de alta velocidad de oxígeno-combustible (HVOF) para lograr 
recubrimientos sin poros. Las técnicas están descritas en el Apéndice D. 
 El estudio se enfocó a la caracterización de la corrosión, ya que si el sistema no 
tiene una alta resistencia a la corrosión no es trascendente determinar los otros 
parámetros, como por ejemplo el valor de ICR y capacidad de humectación[20,39]. 
 El electrolito empleado fue una solución de H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯. Se utilizó 
ésta solución, porque en la investigación se simuló el contacto directo del 
colector de flujo con la membrana, caso crítico que puede presentarse para el 
colector de flujo, como consecuencia de la degradación de la membrana. 
 Los experimentos se realizaron en condiciones ambientales, considerando dos 
aspectos : 
CAPITULO II 
 
21 
 
 De acuerdo a literatura reportada, “La corrosión que ocurre en la cara del 
colector de flujo donde se suministra oxígeno, es menor a la que ocurre en la 
cara del colector de flujo donde se suministra hidrógeno”. Por lo consiguiente, sí 
al evaluar el material en la cara del colector de flujo donde se suministra 
oxígeno, es mayor a 0.016 mA/cm2 [17], no será necesario evaluar la cara del 
colector de flujo donde se suministra hidrógeno ya que la corrosión será mayor. 
 El aspecto económico, para evaluar la cara donde se suministra hidrógeno era 
necesario gestionar hidrógeno y para evaluar la cara donde se suministra 
oxígeno era suficiente trabajar en condiciones ambientales. 
 Con base en estos dos puntos, se determinó que sí al evaluar el material en 
condiciones ambientales no cumplía con las especificaciones requeridas por la 
DOE [17] no era necesario continuar con su evaluación. 
 La metodología del estudio del desempeño de materiales para placas de flujo 
está descrita de manera muy completa por Shores y Deluga [38]. Es necesario 
destacar que nuestro enfoque consiste en realizar pruebas fuera de la celda 
(out-of-stack). 
 Las pruebas electroquímicas que se seleccionaron fueron las curvas de 
polarización como primera evaluación, ya que pueden aportar conocimientos 
sobre la extensión de la zona de pasivación, al mismo tiempo que indican si es 
necesario realizar pruebas potenciostáticas. 
 
CAPITULO III 
 
22 
 
3.- Desarrollo experimental 
 
3.1 Materiales 
 
En este trabajo se estudiaron cinco materiales, dos aceros inoxidables tipo ferrítico 
sin recubrir (Tabla 2) y tres aleaciones aplicadas sobre acero inoxidable por la 
técnica de proyección térmica de flama de polvos y HVOF (High Velocity Oxygen 
Fuel) (Tabla 3). Estos materiales fueron seleccionados en base a literatura [23, 28] en 
donde se explica que el contenido de cromo dentro del acero inoxidable y de otras 
aleaciones es el principal promotor para la formación de la capa pasiva, que le da 
resistencia a la corrosión al material. Así mismo ha sido reportado que el contenido 
de níquel mejora el comportamiento del material en el medio de una celda de 
combustible, aunque hay que mencionar que este elemento no incrementa la 
resistencia a la corrosión del material, si no que contribuye a que exista una menor 
resistencia eléctrica [17-21]. 
 
Tabla 2.-Materiales sin recubrir 
 
 
Tabla 3.-Materiales con recubrimiento 
 
 
 
 
La composición química de los materiales empleados se reporta en la Tabla 4, 
datos reportados por CENDI (proveedor de los aceros inoxidables utilizados) y la 
composición de las aleaciones aplicadas fue determinada por espectroscopia de 
absorción atómica y se reporta en la Tabla 5. 
 
 
ACERO DESIGNACIÓN 
444444 SS4444440000 
7222 S7222001 
SUSTRATO ALEACIÓN 
SS 439 Ni20Cr 
 
SS 441 
 
NiCrAlY 
SS 441 Cr3C2(NiCr) 
CAPITULO III 
 
23 
 
Tabla 4.- Composición química de los aceros inoxidables (% en peso) 
 
Tabla 5.-Composición química de las aleaciones (% en peso) 
 
 
3.2 Preparación de los materiales 
 
Los recubrimientos se aplicaron sobre placas de acero de dimensiones de 10x10x3 
cm. El acero S4300 fue recubierto con la aleación Ni20Cr y el acero S4400 con la 
aleación NiCrAlY. Estas dos aleaciones fueron aplicadas por la técnica de 
proyección térmica de rociado por flama de polvos, y la aleación Cr3C2(NiCr) fue 
aplicada sobre S4400 mediante el sistema HVOF (High Velocity Oxygen-Fuel) con 
un equipo marca Sulzer-Metco modelo DJ2700, con una flama generada por la 
combustión de una mezcla oxígeno-propano (ver Apendice D). Previo a la 
aplicación de los recubrimientos, las placas fueron preparadas superficialmente 
mediante ráfaga de granalla cerámica de acuerdo con la norma NACE No. 1/ SSPC-
SP 5 [40], limpiadas con acetona y en esta condición se procedió a la aplicación de 
los recubrimientos. Para el caso de los materiales evaluados sin recubrimiento, 
éstos fueron limpiados con acetona antes de la evaluación electroquímica. El 
electrolito empleado fue una solución de H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯, como electrodo 
de referencia se empleó un electrodo de sulfato mercuroso (Hg2SO4) y como 
ACER
O 
DESIGN
ACIÓN 
C 
 
Cr 
 
Ni Mn 
 
Si 
 
Ti 
 
Al Nb P 
 
Cu 
 
N S 
 
Mo 
439 S4300 0.03 18 - 1.00 1.00 0.3
2 
0.
15
- - - - - - 
441 S4400 0.03 17.5 - 1.00 1.00 0.5
0 
- 0.3
9 
- - - - - 
444444 SS4444440000 00..0011
33 
1199 11 00..33 00..4455 0.1
3 
- 0.2
7 
0.0
3 
- 0.0
15 
0.0
02 
22..55 
7222 S722200
1 
0.05 20.72 0.2
7 
0.15 0.08 0.3
1 
- - 0.0
31 
0.
45 
0.0
9 
0.0
02 
- 
SUSTRATO ALEACIÓN Ni Cr Al Y Cr3C2 NiCr 
SS 439 Ni20Cr 80 20 - - - - 
SS 441 NiCrAlY 60.9 28.2 9.9 1 - - 
SS 441 Cr3C2(NiCr) - - - - 80 20 
CAPITULO III 
 
24 
 
contraelectrodo una barra de grafito. Los experimentos se realizaron en condiciones 
ambientales. 
Para estudiar el comportamiento electroquímico de los aceros inoxidables ferríticos 
y de los recubrimientos, se emplearon curvas de polarización (Apéndice E), con una 
velocidad de barrido de 0.15 mV/s de acuerdo a las normas ASTM G5 y ASTM G59 
[41,42], utilizando un potenciostato marca Gamry. Previo a los ensayos se midió el 
Ecorr con un multímetro de alta impedancia (106) marca Proam. 
Los aspectos morfológicos de los recubrimientos evaluados fueron analizados por 
MEB (microscopía electrónica de barrido) antes y después de los ensayos 
electroquímicos y los productos de corrosión se analizaron por la técnica Difracción 
de Rayos X. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO IV 
 
25 
 
4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
4.1 Materiales sin recubrimiento 
En esta sección se presentan los resultados de la evaluación de la corrosión de los 
materiales no recubiertos. Los aceros ferríticos S44400 y S7222001, fueron analizados 
mediante las técnicas electroquímicas de extrapolación de Tafel (curvas de 
polarización) y medición del potencial de corrosión a circuito abierto. 
 
4.1.1 Acero inoxidable SS4444440000 
Es importante ubicar los potenciales de funcionamiento de la celda. En la Figura 2 se 
muestra los potenciales de las reacciones que se llevan a cabo del lado del colector de 
flujo donde se suministra oxígeno y del lado del colector de flujo donde se suministra 
hidrógeno. Estos potenciales fueron determinados experimentalmente por Shores [38] 
respecto a un electrodo de referencia. El Ecelda será la distancia entre las curvas 
anódica y catódica. En la Figura 2 se aprecia que al incrementar la corriente de la 
celda el potencial aumenta del lado del colector de flujo donde se suministra oxígeno y 
el potencial del lado del colector de flujo donde se suministra hidrógeno disminuye. Si 
la celda de combustible opera a 0.5 V vs SHE se alcanza la mayor producción de 
corriente (0.65 A/cm2). Para lograrlo, el potencial del lado del colector de flujo donde 
se suministra hidrógeno deberá estar a 0.15 V vs SHE y del lado del colector de flujo 
donde se suministra oxígeno deberá estar a 0.65 V vs SHE. 
CAPITULO IV 
 
26 
 
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
E
 (V
) v
s
N
H
E
i (A/cm2)
cátodo
ánodo
ΔE= 0.5 V
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
E
 (V
) v
s
N
H
E
i (A/cm2)
cátodo
ánodo
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
E
 (V
) v
s
N
H
E
i (A/cm2)
cátodo
ánodo
ΔE= 0.5 V
 
Figura 2. Representación aproximada del potencial de cada electrodo de una celda 
tipo PEM determinada por Shores [38].Es importante mencionar que el potencial del lado del colector de flujo donde se 
suministra oxígeno, incluye las caídas de potencial de las interfases; plato 
colector/capa difusora, capa difusora/capa activa y capa activa/membrana (ver la 
Figura 3). 
 
O2
CÁTODO
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION)
O2
CÁTODO
PLATO
COLECTOR
CAPA
DIFUSORA
CAPA
ACTIVAMEMBRANA (NAFION) 
Figura 3. Representación aproximada del potencial del lado del colector de flujo donde 
se suministra oxígeno determinada por Shores [38]. 
CAPITULO IV 
 
27 
 
Sin embargo, en esta investigación se estudió la interfase; plato colector/membrana, 
(ver la Figura 4) situación severa para el colector de flujo debido a la degradación 
crítica de la membrana y permeabilidad en la capa activa y difusora de los iones 
originados. 
O2
PLATO
COLECTORMEMBRANA (NAFION)
O2
PLATO
COLECTORMEMBRANA (NAFION) 
Figura 4. Representación de la interfase estudiada. 
 
Considerando el potencial generado, del lado del colector de flujo donde se suministra 
oxígeno que corresponde de 0.5 a 1.2 V vs SHE de acuerdo a la Figura 2, en esta 
investigación se emplearon curvas de polarización para ver el comportamiento dentro 
de este rango de potencial. 
Ahora en las Figuras 5 y 6, se muestran las curvas de polarización del acero S44400 
expuesto a un medio que simula las condiciones de operación del lado del colector de 
flujo donde se suministra oxígeno. En la Figura 5 se muestra la primera evaluación del 
acero S44400 después de 5 minutos (0.08 hrs) de estar sumergido en la disolución. Se 
forma una pequeña zona de pasivación entre 0.8 y 1.1 V vs SHE. Después de esta 
primera prueba del material se realizaron curvas de polarización a diferentes tiempos, 
estas son mostradas en el Apéndice F y los parámetros obtenidos a partir de estas 
curvas se enlistan en la Tabla 6. Se observa que al transcurrir el tiempo la zona de 
pasivación aumenta, por ejemplo en la Figura 6, que corresponde a un período de 144 
hrs (6 días), mantiene un rango de 0.6 a 1.1 V vs SHE. 
 
 
 
CAPITULO IV 
 
28 
 
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.00E-08 1.00E-07 1.00E-06 1.00E-05 1.00E-04 1.00E-03 1.00E-02
log i (A/cm2)
E
 v
s 
S
HE
 (V
)
 
Figura 5.- Curva de polarización del S44400 después de 0.08 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
 
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.00000001 0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01
log i (A/cm2)
E 
vs
 S
H
E
 (V
)
 
Figura 6.- Curva de polarización del S44400 después de 144 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
 
En la Tabla 6 para el S44400 se observa que los valores de icorr obtenidos oscilan entre 
5.9x10-5 y 7.4x10-4 mA/cm2. La corriente de corrosión, es menor a los valores obtenidos 
con compuestos de grafito reportados por RoBberg y Allen [20,39], lo cual indica que el 
material evaluado puede ser candidato para usarse del lado del colector de flujo donde 
se suministra oxígeno. Las investigaciones que han estudiado el comportamiento de 
platos colectores de corriente [20,39], construidos a partir de polímeros de carbono y 
CAPITULO IV 
 
29 
 
grafito (material donde es menor la corrosión), reportan valores de icorr de 0.016 mA/cm2 
para condiciones de operación del lado del colector de flujo donde se suministra 
oxígeno. De acuerdo con el Departamento de Energía de EUA se considera este valor, 
como el criterio de corrosión que debe cumplir un material para esta aplicación [17]. 
 
Tabla 6.- Resultados del S44400 
 
Tiempo de 
exposición 
(hrs) 
Ecorr vs 
SHE (V) 
icorr 
(mA/cm2) 
ipas 
 (mA/cm2) 
Vcorr 
(mm/año) 
0.08 0.26 2.28 e-4 7.896 e-3 2.64 e-3 
48 0.44 5.944 e-5 4.570 e-3 6.89 e-4 
72 0.40 2.408 e-4 7.694 e-3 2.79 e-3 
120 0.42 7.478 e-4 11.54 e-3 8.67 e-3 
144 0.48 4.325 e-4 20.76 e-3 5.01 e-3 
 
Se graficaron los valores de icorr vs t para una mejor comprensión, la Grafica 1 y se 
observó que el promedio de las corrientes es de 4.48 e-4 mA/cm2. Estos valores son 
menores a lo especificado por el DOE, por lo tanto de acuerdo a este estudio puede 
sugerirse provisionalmente que el material podría emplearse como colector de flujo 
para la cara donde se suministra oxígeno en una celda de combustible. 
0.00E+00
1.00E-04
2.00E-04
3.00E-04
4.00E-04
5.00E-04
6.00E-04
7.00E-04
8.00E-04
24 48 72 120 144
t (hrs)
i co
rr
 (m
A
/c
m
2 )
 
Grafica 1.- Comportamiento del S44400 en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
CAPITULO IV 
 
30 
 
 
Wang [29] estudió varios aceros inoxidables ferríticos, incluyendo el S44400, aunque su 
material no contenía Níquel, como el acero estudiado en este trabajo (Tabla 2). La 
disolución empleada por Wang [29] para obtener la curva de polarización fue H2SO4 1 M 
+ 2 ppm F-, a 70 ºC y burbujeando a saturación Oxígeno. Obtuvo una icorr de 0.02 
mA/cm2, que es mayor comparada con los valores de icorr reportados en la Tabla 6. 
Cabe mencionar que la corriente de corrosión obtenida por Wang es mayor a la 
observada en este trabajo, estimación que se atribuye a las diferentes condiciones de 
experimentación, puesto que Wang operó el plato colector dentro de la celda y en 
nuestro caso se analizó la interfase plato colector de flujo/ membrana en condiciones 
severas de degradación. 
La placa de flujo opera a un potencial constante respecto al tiempo dentro de una celda 
de combustible. Considerando un valor de potencial de 0.6 V vs SHE se realizó una 
prueba potenciostatica por 21 hrs. En la Figura 7 se describe el comportamiento del 
S44400 durante esta prueba. El valor de la corriente inicial fue de 6.8 mA/cm2 y 
posteriormente se incrementó a 1.12 mA/cm2 en las primeras 5 hrs de prueba. A este 
tiempo se notó la aparición de un color en el electrolito (tonalidad amarillo), que se 
atribuye a la disolución de algún elemento del material, probablemente hierro. 
Posteriormente se percibió un rápido decaimiento en la corriente, alcanzando después 
de 16 hrs de prueba una corriente de 4.8 mA/cm2, la cual se mantuvo por 5 hrs finales 
de medición. Con base en los resultados de esta prueba, se concluyó que el material 
debería recubrirse para funcionar como colector de flujo de la cara donde se suministra 
oxígeno. Es importante mencionar que este material se caracterizó más extensamente 
que otros, debido a que es una materia prima nacional con la cual se podría generar la 
producción masiva de placas de flujo en nuestro país. 
 
CAPITULO IV 
 
31 
 
 
Figura 7.- Prueba potenciostatica del S44400 en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ a 0.6 V vs 
SHE. 
 
4.1.2 Acero inoxidable S7222001 
Se realizaron curvas de polarización para el S7222001, durante doce días y en las 
Figuras 8 y 9 se muestran las curvas de polarización inicial y final, respectivamente. En 
el Apéndice F se muestran todas las curvas, pero en esta sección solamente 
mostramos dos curvas para facilitar la explicación. En la prueba inicial (Figura 8) se 
observó que la capa de pasivación se presentó entre los potenciales de 0.7 a 1 V vs 
SHE. Con el paso del tiempo la capa pasiva difícilmente se forma, de tal modo que en 
288 hrs (12 días) el material ya no se pasiva (Figura 9), presentando disolución de 
material, el electrolito sufrió cambio de color (incolora a verdosa) finalizando la prueba. 
Estas pruebas indican que el material no es adecuado para placas expuestas del lado 
donde se suministra oxígeno. 
 
 
CAPITULO IV 
 
32 
 
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.00000001 0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01
log i (A/cm2)
E 
vs
 S
HE
 (V
)
 
Figura 8.- Curva de polarización del S7222001después de 0.08 hrs de exposición en 
H2SO4 0.5M + 2 ppm F¯ 
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 0.0001 0.001 0.01 0.1 1
log i (A/cm2)
E 
vs
 S
H
E 
(V
)
 
Figura 9.- Curva de polarización del SS S7222001 después de 288 hrs de exposición 
en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
 
En la Tabla 7 se enlista las corrientes de corrosión obtenidas. Losvalores oscilan entre 
6x10-4 y 1.8x10-5 mA/cm2 por un período de 288 hrs (12 días), comparando estos 
valores con los reportados en literatura para materiales estudiados, los valores están 
por debajo del orden requerido [20,39]. Sin embargo, la falta de la zona de pasivación y la 
apreciación de disolución del material, nos permite concluir que no es candidato para 
ser empleado como placa de flujo. 
 
 
CAPITULO IV 
 
33 
 
 
 
Tabla 7.- Resultados del S7222001 
 
Tiempo de 
exposición 
(hrs) 
Ecorr vs SHE 
(V) 
icorr 
(mA/cm2) 
Vcorr 
(mm/año) 
0.08 0.62 2.05 e-4 2.37 e-3 
72 0.62 7.21 e-5 8.36 e-4 
144 1.0 6.51 e-5 7.54 e-4 
168 1.0 8.66 e-5 1.00 e-3 
240 0.92 1.88 e-5 2.17 e-4 
264 0.90 6.00 e-4 6.95 e-3 
288 0.90 6.11 e-4 7.08 e-3 
 
El DOE indica que la corriente de corrosión sea 0.016 mA/cm2 [17]. Sin embargo las 
pruebas realizadas en este trabajo (sección 4.1 .1 y 4.1.2) indican que el 
comportamiento ante la corrosión de los materiales es más complejo, ya que debe de 
incluirse la capacidad del material para pasivarse. Por ejemplo este material cumple 
con el criterio del DOE [17], pero no existe zona de pasivación estable que indique 
pueda ser utilizado. Aún no existe una norma de control de calidad, por lo que se 
recomienda que las pruebas realizadas en este trabajo: curvas de polarización y 
electrólisis, se consideren para la elaboración de esta norma de control de calidad. 
Los resultados del análisis de microscopio electrónico de barrido (MEB), se muestran 
en la Figura 4.1, donde se puede observar el aspecto superficial mostrado por el acero 
S7222001 antes de su evaluación electroquímica. Inicialmente la superficie era lisa, 
con imperfecciones como raspaduras y poros, ocasionadas por el proceso de 
fabricación. En las Figuras 4.2 y 4.3, se observa el aspecto del S7222001 después de 
la evaluación electroquímica. La superficie presenta rugosidad y tiene un aspecto 
“limitado”, característico de la corrosión uniforme intergranular (ver Figura 4.4). En este 
tipo de corrosión el ataque localizado en los límites de grano provoca perdida en las 
propiedades mecánicas. En el proceso de solidificación para formar el acero, los 
CAPITULO IV 
 
34 
 
átomos, que están aleatoriamente distribuidos en el estado líquido, se ordenan por sí 
solos en un arreglo cristalino, este arreglo comienza generalmente en muchos puntos 
en el líquido y cuando estos bloques de cristales o granos se tocan, existe por lo 
general un mal acomodamiento en sus límites, estas regiones se conocen como límites 
de grano. Estas áreas tienen una alta energía y por lo tanto son químicamente más 
activas, debido a esta razón generalmente son atacadas con mayor rapidez que las 
caras de los granos, cuando son expuestas a un ambiente corrosivo. 
 
 
Figuras: 4.1) Micrografía a 100X del ss S7222001 antes de su evaluación 
electroquímica. 
4.2) Micrografía a 100X del S7222001 después de su evaluación electroquímica. 
4.3) Micrografía a 50X del S7222001 después de su evaluación electroquímica. 
4.4) Morfología de un material que presenta problemas de corrosión intergranular 
 
 
 4.1 4.2 
 4.3 4.4 
CAPITULO IV 
 
35 
 
Por los resultados obtenidos se concluye que este material no debe considerarse para 
plato colector de flujo. 
 
4.2 Materiales recubiertos 
 
4.2.1 Acero inoxidable SS 439 recubierto con la aleación Ni20Cr 
En las secciones anteriores se presentaron los resultados de aceros no recubiertos, 
donde el acero S44400 mostró un comportamiento en el límite de lo aceptable para 
funcionar como placa de flujo. Por lo anterior, los aceros ferríticos SS 441 y SS 439 
fueron recubiertos con aleaciones mediante una metodología no reportada en la 
literatura de celdas de combustible y de bajo costo: proyección térmica (Apendice D). 
Se realizaron curvas de polarización consecutivamente durante 15 días, para 
determinar la corriente de corrosión mediante el método de extrapolación de Tafel y de 
esta manera establecer si el material cumple con lo especificado por el DOE. Los 
resultados se muestran en la Tabla 8 y se trazó el gráfico de icorr vs t en la Grafica 2, 
para una mayor claridad en la exposición de resultados. 
La aleación Ni/Cr inicialmente se consideraba adecuada para placas de flujo, debido a 
la posible resistencia a la corrosión que impartiría el Cr y la baja resistencia eléctrica 
que se esperaría de los óxidos de Ni [22]. 
 
Tabla 8.- Resultados del SS 439 recubierto con la aleación Ni20Cr 
 
Tiempo 
(hrs) 
Ecorr vs SHE 
(V) 
icorr 
 (mA/cm2) 
ipas 
(mA/cm2) 
Vcorr 
(mm/año) 
24 0.44 1.66 5 24.87 
144 0.43 1.20 6 17.98 
192 -0.15 2.17 9 32.5 
312 -0.30 9.78 5 146.5 
360 -0.29 2.00 5 29.97 
 
CAPITULO IV 
 
36 
 
S4300
0
0.5
1
1.5
2
2.5
24 144 192 312 360
t (hrs)
ic
or
r (
m
A/
cm
2)
 
Grafica 2.- Comportamiento del recubrimiento Ni20Cr, depositado sobre el acero 
S4300, en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
 
Se observa que al inicio de la evaluación electroquímica el valor de icorr obtenido es del 
orden de 1.7 mA/cm2, y tiende a disminuir a los 6 días (144 hrs) de exposición a un 
valor de 1.2 mA/cm2, sin embargo después de los 6 días de exposición el valor de icorr 
incrementa hasta 2.0 mA/cm2, y a los 15 días (360 hrs), tiempo en que finalizó la 
evaluación del recubrimiento, se observó una gran disolución del recubrimiento que 
ocasionó un cambio de color al electrolito (incolora a verdosa). Esta disolución de 
material se atribuyó a la heterogenidad y porosidad del recubrimiento, provocada por la 
baja velocidad de impacto (24-36 m/s) de las partículas al ser proyectadas a la 
superficie. Una posible mejora se lograría aplicando el recubrimiento con la técnica de 
alta velocidad de oxígeno-combustible (HVOF), presentada en el Apéndice D, que tiene 
mayor velocidad de impacto, mayor adherencia y mínima porosidad. Sin embargo, 
cabe mencionar que no se aplicó por esta técnica debido a que no se adquirió 
comercialmente. 
Por otra parte, si se comparan los valores de icorr obtenidos contra lo reportado en 
literatura [20,39] y con lo que requiere el DOE [17], son valores de mayor magnitud. Los 
valores de Vcorr determinados a partir de las curvas de polarización indican que el 
recubrimiento se disolvió. El espesor del recubrimiento aplicado fue de 0.356 mm 
aproximadamente, como se muestra en la Figura 4.5. Se puede afirmar que el período 
CAPITULO IV 
 
37 
 
de vida del recubrimiento es muy corto, lo que limita su aplicación como posible 
candidato para plato colector de flujo. Es importante mencionar que inicialmente esta 
aleación se escogió como candidato por sus características y bajo costo, sin embargo 
no se esperaba que presentara una corrosión severa cuando se expuso al medio. 
En la Figura 10 se observa que el material inicialmente se pasivó entre los potenciales 
de 0.3 V y 0.45 V vs SHE, para posteriormente tender a pasivarse entre 0.7 y 0.9 vs 
SHE después 144 hrs (6 días). En las primeras pruebas se apreció un ligero cambio de 
color (incolora-verdosa) en la disolución, que conforme pasaron los días aumento la 
intensidad de color. Lo anterior indica una disolución de metales del recubrimiento. El 
comportamiento del recubrimiento cada vez fue menos satisfactorio como muestra la 
Figura 11, debido a que no se definió una zona de pasivación. Una clara evidencia de 
la disolución del material fue la presencia de productos de corrosión (cristales). 
 
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01
log i (A/cm2)
E 
vs
 S
H
E 
(V
)
 
Figura 10.- Curva de polarización del recubrimiento Ni20Cr después de 0.08 hrs de 
exposición en H2SO4 0.5 M + 2 ppm F¯ 
 
 
CAPITULO IV 
 
38 
 
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1
log i (A/cm2)
E 
vs
 S
H
E 
(V
)
 
Figura 11.- Curva de polarización del recubrimiento Ni20Cr después de 360 hrs de