Análisis del comportamiento de celdas de combustible (MEAs) durante diferentes regímenes de operación y ante variaciones de parámetros de funcionamiento y perturbaciones externas, para pilas de combustible de intercambio protónico (PEM) utilizando sistema DAQ multifunción

Abstract

Una pila de combustible es un dispositivo capaz de convertir energía química en energía eléctrica a través de celdas (MEA´s) conectadas en serie denominadas stack. Por tener capacidad de producir energía eléctrica mientras exista un suministro de combustible y agua como único residuo, se proyectan como una fuente de energía renovable capaz de hacer frente a los retos ambientales y energéticos. Para aumentar su eficiencia y alargar su vida útil se hace necesario estudiar sus características más relevantes, por lo cual en esta investigación se caracterizó una pila Ballard Nexa de 1.2kW compuesta por 47 celdas, en operaciones estacionarias y transitorias. Por otro lado se estudió la uniformidad de voltajes a nivel de celdas, factor clave en el estudio de estos sistemas. Para ello, se desarrolló un sistema de monitorización que utiliza instrumentación virtual y que es capaz de dar seguimiento a las variables en tiempo real. Los datos estadísticos muestran que los voltajes promedios en celdas sin carga son 160mV mayores que con una demanda de 10A y existe un 9% de diferencia entre el voltaje mínimo obtenido y el valor promedio del conjunto de celdas. Se observa una tendencia en la que los valores máximos promedios se registran en las celdas cercanas al regulador de hidrógeno de lo cual se infiere que la distribución de los voltajes a lo largo del stack no es del todo homogénea, lo que implica que mejorando y adaptando esta característica se puede obtener un aumento del rendimiento del conjunto MEA-electrodos.

A fuel cell is a device capable of converting chemical energy into electrical energy through cells (MEA's) connected in series called stacks. Because they have the capacity to produce electrical energy while there is a fuel supply and because they have water as a waste product, they are projected as a renewable energy source capable of meeting environmental and energy challenges. In order to increase its efficiency and extend its life, it is necessary to study its most relevant characteristics, which is why in this research a Ballard Nexa 1.2kW stack composed of 47 cells was characterized in stationary and transitory operations. On the other hand, it was studied the uniformity of voltages at cell level, a key factor in the study of these systems. For this purpose, a monitoring system was developed that uses virtual instrumentation and is capable of tracking the variables in real time. The statistical data shows that the average voltages in no-load cells are 160mV higher than with a demand of 10A and there is a 9% difference between the minimum voltage obtained and the average value of the set of cells. A trend is observed in which the average maximum values are recorded in the cells near the hydrogen regulator from which it is inferred that the distribution of voltages along the stack is not entirely homogeneous, which implies that improving and adapting this feature can obtain an increase in the performance of the MEA-electrode array.