Design, Development and Testing of a Monitoring System for the Study of Proton Exchange Fuel Cells and Stacks

Abstract

Este artículo trata sobre el diseño, desarrollo y validación de una nueva arquitectura de monitoreo para celdas y pilas individuales para facilitar el estudio de las celdas de combustible de intercambio de protones. El sistema consta de cuatro elementos principales: señales de entrada, placas de procesamiento de señales, convertidores analógico-digital (ADC) y una unidad terminal maestra (MTU). Este último integra un software de interfaz gráfica de usuario (GUI) de alto nivel desarrollado por National Instruments LABVIEW, mientras que los ADC se basan en tres unidades de adquisición digital (DAQ). Para facilitar la referencia, se integran gráficos que muestran la temperatura, corrientes y voltajes en celdas individuales, así como en pilas. La validación del sistema se realizó tanto en modo de operación estático como dinámico utilizando una celda de combustible Ballard Nexa de 1,2 kW alimentada por un cilindro de hidrógeno, con una carga electrónica Prodigit 32612 en la salida. El sistema fue capaz de medir las distribuciones de voltaje de celdas individuales y temperaturas en diferentes puntos equidistantes del apilamiento tanto con, cómo sin carga externa, validando su uso como una herramienta indispensable para el estudio y caracterización de estos sistemas.

This article discusses the design, development and validation of a new monitoring architecture for individual cells and stacks to facilitate the study of proton exchange fuel cells. The system consists of four main elements: input signals, signal processing boards, analog-to-digital converters (ADC), and a master terminal unit (MTU). The latter integrates high-level graphical user interface (GUI) software developed by National Instruments LABVIEW, while the ADCs are based on three digital acquisition units (DAQ). For ease of reference, graphs showing temperatures, currents and voltages in individual cells as well as stacks are integrated. System validation was performed in both static and dynamic modes of operation using a 1.2 kW Ballard Nexa fuel cell fed by a hydrogen cylinder, with a Prodigit 32612 electronic load at the output. The system was able to measure the voltage distributions of individual cells and temperatures at different equidistant points of the stack both with and without external load, validating its use as an indispensable tool for the study and characterization of these systems.