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Título:
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Uso de la Técnica de Interrupción de Corriente para la Caracterización de una Celda de Combustible no Humidificada con Membrana de Intercambio Protónico
Autores:
En: SITIO EN INTERNET : [Mayagüez, P.R. : Universidad de Puerto Rico. Recinto Universitario de Mayagüez] 2005, Accedido el 19 jun. 2006.
URL:
Revista: Sitio en Internet
Resumen: Debido a la crisis energética, varios gobiernos han el desarrollo de nuevas alternativas para generar electricidad que cumplan con las regulaciones establecidas. Es por esta razón que las celdas de combustible se han convertido en una de las alternativas idóneas como fuente de energía futura. Las celdas de combustible son reactores electroquímicos que convierten directamente la energía de una reacción electroquímica (hidrógeno y oxígeno) en electricidad. La energía eléctrica es producida usando una membrana de intercambio protónico (PEM) como electrolito, pero la misma posee unas ineficiencias las cuales han sido estudiadas durante muchos años. Esta investigación esta centrada en estudiar estas ineficiencias utilizando la técnica de interrupción de corriente la cual no ha sido anteriormente utilizada con este tipo de membrana. Esta técnica opera suspendiendo el paso de corriente a través de la membrana, produciendo esto a su vez, una respuesta en el voltaje. La respuesta de la membrana a este disturbio es la información que utilizaremos para caracterizarla. El cambio de voltaje en el sistema fue medido utilizando un osciloscopio Tektronix TDS 3032. Se realizaron experimentos con tres flujos de hidrógeno y oxígeno a razones estequiométricas (flujos de 8.5, 5.4 y 2.7ml/min para hidrógeno). Los resultados demostraron dos tipos de gráficas; una para circuito cerrado y otra para circuito abierto. Ambos tipos de gráficas exhibieron los mismos comportamientos los cuales fueron clasificados por región. La región 1 es atribuida a efectos cinéticos causados por la configuración de la membrana. La próxima es la región 2 la cual se debe a efectos cinéticos y de transferencia de masa. Por último, la región 3 es causada por una fase de equilibrio. Las gráficas de interrupción de corriente se utilizarón para encontrar ecuaciones matemáticas que describiesen el comportamiento de circuito abierto y cerrado. Los valores de ambas gráficas se analizaron estadísticamente reflejando que solo la interacción entre los flujos de hidrógeno y orden de inundación es significativa. Los resultados obtenidos se corroboraron simulando el comportamiento del cátodo con el programa de simulación “Micro Sim®” y se encontró el circuito equivalente que describe el cátodo. Utilizando el programa Micro Sim® se encontró un circuito equivalente que simula la señal de corriente y la respuesta de voltaje para el circuito abierto. El circuito propuesto también simula el comportamiento de la región 1 y 3 para el circuito cerrado utilizando una resistencia de 0.8Ω para simular la región 1 y una resistencia de 0.8Ω y un capacitor de 250 mF para simular la región 3. La región 2 no es posible simularla debido a que el sistema exhibe dos contribuciones (efectos cinéticos y de transferencia de masa) que convierte la región en una no linear de segundo orden. El comportamiento no-linear nos permite postular un mecanismo de reacción en el cual el paso de protones a través de la membrana es el paso limitante en la reacción. En conclusión, la técnica de interrupción de corriente brinda información gráfica y cuantitativa que permite caracterizar los cambios físicos y químicos que ocurren en la región del cátodo dentro de la celda de combustible. Para trabajos futuros se recomienda realizar la misma serie de experimentos para el ánodo lo cual permitirá encontrar un circuito equivalente que simule la celda en su totalidad.
Resumen: Due to the energetic crisis, the US government has promoted the development of alternatives resources for the generation of electricity. Fuel Cells have emerged as one of the most promising technologies for the power source of the future. A fuel cell is an electrochemical reactor where the energy of a chemical reaction (hydrogen and oxygen) is converted directly into electricity using a proton exchange membrane. The Proton exchange membrane (PEM) has some inefficiencies that can be measured using a current interruption technique with hydrogen and oxygen as raw materials. The current interruption method instantaneously stops the current through the membrane. The response of the membrane during this change is used to characterize it. A Tektronix TDS 3032 oscilloscope was used to measure the voltage drop of the system. Three different fluxes of hydrogen and oxygen at stoichiometric rates were studied in this work (8.5, 5.3 and 2.7ml/min for hydrogen flow). The results are presented using two graphical approaches: one for open and another for the closed circuit. The graphs were classified according to regions. Region 1 is attributed to kinetics effects. Region 2 was attributed to kinetics and mass transfer effects. Region 3 was attributed to equilibrium phase. The information obtained with current interruption technique was used to find an equation that describe the open circuit and close circuit behavior. An exponential equation describe the closed circuit and a sixth order polinomial equation describe the open circuit graphs. Also, was find an equivalent circuit of the cathode region using Micro Sim® simulation program. Micro Sim® permits to find an equivalent circuit that simulates the current signal and open circuit voltage response. The equivalent circuit describes the region 1 and 3 behavior for the closed circuit using one resistance of 0.8Ω to simulate region 1 and other resistance of 0.8Ω and 250mF capacitor to simulate region 3. Region 2 was not possible to simulate because the system exhibited two contributions (charge and mass transfer effects) that convert this region in a non-linear second order behavior. This non-linear behavior could lead to postulate a reaction mechanism with the transfer of protons through the membrane as the rate-limiting step. In conclusion, the current interruption technique allowed for the action of offering a graphical represenation of fuel cell membrane equipment. For future works is recommended to repeat the same series of experiments for anode that will permit to find an equivalent representative circuit of the total PEM fuel cell.
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