En la actualidad, existe una gran preocupación por el creciente consumo de energía eléctrica a nivel global, ya que la generación de energía basada en combustibles fósiles se ha hecho insuficiente. Por otra parte, la concientización en la sociedad sobre el cuidado del medio ambiente y en la preservación de los recursos naturales ha provocado el creciente interés por reducir la dependencia en los combustibles fósiles, los cuales provienen de recursos no renovables. Debido a la problemática anterior, la investigación y desarrollo de fuentes alternas de energía que utilicen procesos renovables, eficientes y no contaminantes ha crecido manera importante. Como resultado, en los últimos años la generación eléctrica por fuentes alternas se ha incrementado de manera exponencial.

Desde el año 2014, existe una tendencia en donde la mayor parte de la capacidad de energía agregada es mediante fuentes que no generan emisiones contaminantes. La participación en la capacidad agregada de las fuentes limpias en el año de 2010 fue del 41%, mientras que para el año 2020 fue el 83 % de la capacidad total instalada. De acuerdo a estos datos, el interés en la utilización de fuentes limpias se ha incrementado de manera considerable.

Existen equipos que utilizan hidrógeno para generar energía eléctrica, los cuales son llamados módulos de celdas de combustible de intercambio protónico (PEMFC). Estos equipos generan electricidad sin la necesidad de un proceso de combustión. La energía eléctrica es generada de manera directa, en donde las eficiencias son mayores a las obtenidas con los motores de combustión interna, pero sin producir emisiones de gases contaminantes. La generación de energía se realiza a través de un proceso electroquímico, el cual utiliza un oxidante (oxígeno) y un combustible (hidrógeno).

La celda de combustible de membrana de intercambio protónico está constituida por un polímero de conducción iónica como electrolito, el cual está unido a un cátodo y un ánodo (electrodos) localizados en ambos lados del electrolito. El combustible alimenta al ánodo, mientras que el oxidante abastece al cátodo. Las reacciones electroquímicas se producen en los electrodos, generando un flujo continuo de protones a través del electrolito, mientras que una corriente eléctrica circula por los conductores externos hacia una carga. Como residuo se produce agua y vapor de agua, sin generar emisiones de dióxido de carbono (CO2) como lo hacen los generadores basados en combustibles fósiles.

La principal desventaja de esta tecnología es que genera una bajo y no regulado nivel de voltaje en la salida de la celda, por lo que se realizan arreglos en serie de celdas individuales (módulos). En la práctica, los módulos de celdas de combustible no generan los niveles de voltaje adecuados para las diversas aplicaciones, ya que se comprometería el dimensionamiento y volumen de los mismos, además de que se comportan como fuentes no reguladas. Debido a lo anterior, existe la necesidad de agregar una interfaz al sistema de generación eléctrica por módulos de celdas de combustible, para elevar y regular el nivel de voltaje.

El regulador conmutado para aplicaciones con celdas de combustible está constituido por un convertidor de CD-CD con altas ganancias de voltaje y un controlador. El controlador debe proporciona regulación de voltaje ante variaciones rápidas en la carga y voltaje de entrada (voltaje de salida del módulo de celda de combustible).

La generación eléctrica a partir de sistemas que utilizan módulos tipo PEMFC no genera emisiones de gases contaminantes. Por otra parte, al utilizar hidrógeno producido a través de fuentes renovables (hidrógeno verde), el proceso de generación eléctrica se vuelve renovable. El hidrógeno verde se produce por electrólisis del agua sin generar emisiones de CO2, mientras que la energía necesaria para este proceso es generada a través de celdas fotovoltaicas, generadores eólicos, energía geotérmica, hidroeléctricas, entre otros.

En el Laboratorio de Procesamiento Eficiente de Energía (LPEE) del Instituto Potosino de Investigación científica y Tecnológica se realiza investigación y estudio de nuevas configuraciones de reguladores conmutados con altos rangos de conversión de voltaje, mayores eficiencias energéticas, y estrategias de control de alto rendimiento que satisfacen las necesidades de las nuevas aplicaciones que utilizan esquemas de generación basados en sistemas de celdas de combustible de intercambio protónico. La investigación realizada en el LPEE apoya a las nuevas tecnologías de generación eléctrica amigables con el medio ambiente a través de generación de recursos humanos, patentes, publicaciones en revistas de alto impacto, y colaboraciones con empresas del sector.

* Luis Humberto Díaz Saldierna es Técnico Académico Titular C

**Jesús Leyva Ramos es Investigador Titular C de la División de Control y Sistemas Dinámicos del IPICYT.