Tesis doctoral de Mauricio Ariel Primucci
Una pila de combustible es un dispositivo que da energía eléctrica a partir de reacciones electroquímicas de reducción y oxidación. Las pilas del tipo pemfc presentan propiedades que las hacen adecuadas para aplicaciones de transporte: alta eficiencia, cero emisiones, electrolito sólido, bajas temperaturas de operación y alta densidad de potencia. Sin embargo, algunos problemas técnicos deben ser estudiados: la durabilidad de los materiales y la correcta selección de las condiciones de funcionamiento. Una de las más importantes es la gestión del agua. Un balance adecuado del agua en la pila es necesario para maximizar la eficiencia de la pemfc reduciendo al mínimo las pérdidas de tensión. El contenido de agua en la pemfc viene dado por su generación en el cátodo debido a la reacción, la humedad de los gases de entrada y el transporte de agua a través de la membrana. La tesis estudia, propone y compara los diferentes métodos de caracterización experimental con el objetivo de obtener indicadores del estado del agua en la pemfc. Se realiza un uso sistemático de la técnica ¿espectroscopía de impedancia electroquímica (eis)¿ y el análisis de la influencia de las diferentes condiciones de operación sobre la respuesta de la pemfc. Las variables estudiadas son: corriente de carga, presión de los gases, temperatura, humedad relativa y también la alimentación de los gases de entrada: h2/o2 y h2/aire. Se presenta un conjunto de características relevantes de la respuesta del eis y se usan para dar valores iniciales a los circuitos equivalentes. Se estudian diferentes configuraciones de circuitos equivalentes y se seleccionan aquellos que tienen la mejor conexión con los datos experimentales. Se realiza un análisis de sensibilidad de los parámetros de los circuitos equivalentes con respecto a las diferentes condiciones de operación, para encontrar aquellos que sean útiles para representar estas variaciones. Se propone una nueva técnica experimental de caracterización, basada en la interrupción de la humidificación de los gases de entrada. Esta técnica combina la información de la respuesta temporal con la frecuencial (eis) y es útil para analizar la influencia del agua en la respuesta de la pemfc. Algunas ventajas de esta técnica son: la fácil implementación física y el bajo impacto sobre la respuesta de la pemfc, lo cual convierte esta técnica en candidata para ser utilizada ¿in-situ¿. Se proponen tres conjuntos de indicadores de comportamiento de la pila como herramientas de diagnosis. En primer lugar, se presentan las ¿características relevantes¿ de la respuesta de la eis que dan un diagnóstico del estado interno de la pemfc. De entre ellas se selecciona como indicadas: las resistencias de baja y alta frecuencia (rlf y rhf) y la frecuencia del máximo de fase. Estas características sirven para determinar la correcta humidificación de la pila en las condiciones actuales de operación. El cátodo está correctamente humidificado si la respuesta de las características, muestran que la zona definida por rlf bajando, rhf subiendo ligeramente y la frecuencia de la máxima fase está subiendo, es mínima. En segundo lugar, se usan los ¿circuitos equivalentes¿ para dar una interpretación física a los indicadores. Los parámetros seleccionados son: la resistencia de la membrana, rm, la resistencia y la constante de tiempo de la difusión (rw y tw). En este caso, la humidificación correcta del cátodo ocurre cuando la zona donde rw y tw bajan y rm sube ligeramente, es mínima. Por ultimo, se proponen indicadores de comportamiento utilizando un modelo: rm, coeficiente de difusión efectivo, deff y el área activa efectiva, aeff. La humidificación óptima del cátodo ocurre cuando la zona donde deff es estable y rm no cambia significativamente, es mínima. El parámetro aeff es útil para estimar el área activa efectiva aun cuando no se realice una interrupción de humidificación y para comparar la respuesta de la pemfc bajo diferentes condiciones de operacion
Datos académicos de la tesis doctoral «Experimental characterization and diagonosis tools for proton exchange membrane fuel cells«
- Título de la tesis: Experimental characterization and diagonosis tools for proton exchange membrane fuel cells
- Autor: Mauricio Ariel Primucci
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 10/09/2012
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Jordi Riera Colomer
- Tribunal
- Presidente del tribunal: jordi Llorca piqué
- félix Manuel Barreras toledo (vocal)
- pedro Gómez romero (vocal)
- alejandro Franco (vocal)