Introducción a las pruebas de pilas de combustible
Aquellos que deseen aprender más sobre las pilas de combustible, e incluso construir las suyas propias, también pueden querer aprender a probarlas. En esta publicación, revisaremos algunos términos básicos e introduciremos equipos de prueba de bajo costo y configuraciones de prueba más sofisticadas. Sin embargo, primero será útil comprender los conceptos básicos de la pila de combustible y la electricidad.
Como sabrás, las pilas de combustible producen electricidad a partir de una reacción electroquímica entre reactivos como el oxígeno y el hidrógeno, aunque se pueden utilizar otros combustibles además del hidrógeno. Esta reacción produce agua y calor como subproductos. La típica pila de combustible de membrana de electrolito polimérico, o PEMFC, contiene dos electrodos: uno con carga positiva, llamado ánodo, y otro con carga negativa, llamado cátodo. El ánodo y el cátodo están hechos de una capa de soporte de papel carbón o tela de carbón eléctricamente conductora, recubierta con una capa de catalizador. Entre ellos se encuentra una membrana de electrolito, que es el corazón de la pila de combustible; conduce protones desde el ánodo al cátodo.
Cuando el gas hidrógeno ingresa al ánodo, entra en contacto con el catalizador, que divide el gas en iones positivos (protones de hidrógeno) y electrones. Los electrones que viajan al cátodo a través de un circuito externo crean la corriente eléctrica que hace funcionar el dispositivo que utiliza la pila de combustible como fuente de energía.
Debido a que una sola celda de combustible no es suficiente para alimentar la mayoría de los dispositivos, los fabricantes de celdas de combustible las apilan en serie, razón por la cual se llaman pilas de celdas de combustible. Cuanto mayor sea el número de pilas de combustible en la pila, mayor será el voltaje. Cuanto mayor sea el área de los electrodos, mayor será la corriente. El voltaje multiplicado por la corriente es la potencia total de salida de la pila de combustible.
Términos que debe conocer
Para comenzar a probar una celda de combustible, es importante comprender qué probará y qué equipo utilizará.
El primer término que debe saber es el actual. La corriente eléctrica es la velocidad a la que las partículas cargadas eléctricamente fluyen a través de un material. Un circuito eléctrico es el camino conductor de este flujo de partículas cargadas, o corriente, y la corriente se mide en culombios por segundo, también conocidos como amperios o amperios. Un amperio es 1 culombio de carga que pasa por un punto de un circuito eléctrico en un segundo.
Otro término a conocer es resistencia. Siempre que se establece una corriente eléctrica en un circuito eléctrico, experimenta lo que se conoce como resistencia u oposición al flujo de corriente eléctrica. La resistencia es la propiedad que impide el flujo de corriente en un material y se mide en ohmios. Cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente. El voltaje es una forma de utilizar números para describir un campo eléctrico, conocido como fuerza electromotriz o EMF. Los EMF se miden en voltios a una distancia, como voltios por centímetro. Un EMF más fuerte tiene más voltios por centímetro que uno más débil. Para entender cómo funciona el voltaje, piense en el flujo de corriente como agua que fluye a través de un grifo.
El voltaje hace que la corriente eléctrica fluya a través de un circuito de la misma manera que la presión del agua hace que el agua fluya a través del grifo. Si la presión del agua aumenta, fluye más agua por el grifo; de la misma manera, si la presión eléctrica, o voltaje, aumenta, fluye más corriente por el circuito. Si se cierra el agua, no fluye agua a través del grifo, y si se elimina la fuente de voltaje, o EMF, no fluirá corriente a través del circuito. La Figura 1 muestra la analogía del agua con (a) presión (voltaje) sin corriente y (b) presión (voltaje) y corriente. La Figura 1 (a) muestra que no hay flujo porque la válvula está cerrada; sin embargo, todavía hay presión en la línea. La Figura 1 (b) muestra la presión y el voltaje cuando la válvula está abierta.
Figura 1. Analogía de CC de presión (voltaje) y corriente.
Los fundamentos de las pruebas
Un dispositivo que mide corriente, resistencia y voltaje, o amperios, ohmios y voltios, es el multímetro o medidor multiuso. Se utiliza un multímetro para realizar diversas mediciones eléctricas, como voltaje CA y CC, corriente CA y CC y resistencia (Figura 2). Se llama multímetro porque combina las funciones de un voltímetro, un amperímetro y un óhmetro. Los multímetros también pueden tener otras funciones, como pruebas de diodos y continuidad.
En general, para utilizar un multímetro, primero encienda el medidor e inserte las sondas en las conexiones correctas. Uno de los errores más comunes que se cometen al usar este dispositivo es no insertar los cables de prueba en los conectores adecuados para el tipo de prueba que está realizando. Dependiendo de lo que esté probando, configure el interruptor en el tipo y rango de medición correctos, asegurándose de configurar el rango máximo por encima del rango anticipado. Seleccionar un rango más alto evitará que el medidor se sobrecargue.
Figura 2. Ejemplo de un multímetro simple.
Voltaje de prueba
Al realizar una medición de voltaje con un multímetro, primero cambie el multímetro a los rangos de voltaje y seleccione un rango superior al voltaje esperado para que no haya posibilidad de que el medidor se sobrecargue y se dañe. Además, asegúrese de que los cables de prueba estén conectados a los enchufes correctos. La mayoría de los multímetros tienen dos cables, uno negro (negativo) y otro rojo (positivo). El negro está conectado al enchufe negativo o «común» del medidor y el rojo está conectado al enchufe positivo.
Cuando esté listo para medir el voltaje, el cable positivo debe conectarse al terminal que se espera que tenga el voltaje más positivo. Si los cables están conectados de manera incorrecta, el multímetro mostrará un voltaje negativo. Luego, con el multímetro conectado, aplique energía al circuito. Luego, los interruptores del multímetro se pueden ajustar para reducir el valor del rango. Lo hará hasta que el medidor muestre la mayor desviación, sin exceder el tope del rango.
Prueba de corriente
Para medir corriente con un multímetro, encienda el medidor e inserte las sondas en las conexiones correctas. Dependiendo del dispositivo que esté utilizando, puede haber una conexión separada para mediciones de corriente alta y baja. Coloque el interruptor selector en el tipo y la corriente correctos y seleccione el rango, asegurándose de que el rango máximo esté por encima de la lectura esperada. El rango se puede reducir según sea necesario, pero no sobrecargará accidentalmente el medidor.
Cuando mide la corriente, es mejor optimizar el rango para obtener la mejor lectura. Si es posible, haga que todos los dígitos iniciales lean algo distinto de cero, y de esta manera se pueda leer la mayor cantidad de dígitos significativos. Cuando haya tomado la lectura, coloque las sondas en los enchufes de medición de voltaje y ajuste el rango al voltaje máximo. De esa manera, si el medidor se conecta accidentalmente con un rango seleccionado incorrecto, no dañará su equipo.
Prueba de resistencia
Primero, inserte las sondas en los enchufes correctos y encienda el multímetro. Elija el rango, con el valor estimado de resistencia por debajo pero cerca del máximo del rango. Tome la medida, ajustando el rango si es necesario. Luego apague el medidor y coloque el interruptor de función en un rango de alto voltaje para evitar dañarlo sin darse cuenta.
Al medir la resistencia, es una buena idea tomar algunas precauciones para evitar dañar el equipo y también asegurarse de que las mediciones sean precisas. Primero, mida la resistencia cuando los componentes no estén conectados en un circuito; tu mejor opción es realizar la medición del componente por sí solo, fuera del circuito. Si se realiza una medición en el circuito, todos los demás componentes a su alrededor afectarán las lecturas, haciéndolas inexactas hasta cierto punto. También querrás asegurarte de que el circuito que se está probando no esté encendido. Cualquier corriente que fluya por el circuito invalidará las lecturas y, si el voltaje es lo suficientemente alto, puede dañar el medidor.
Además, asegúrese de que los condensadores del circuito que se está probando estén descargados. Si no se descarga, la corriente distorsionará las lecturas. Además, cualquier condensador del circuito que esté descargado puede cargarse con la corriente del multímetro, lo que también puede afectar las lecturas. Recuerde también que al medir la resistencia en un circuito que incluye diodos, el valor medido será diferente si las conexiones se invierten porque los diodos conducen solo en una dirección. Finalmente, tus dedos también pueden cambiar las lecturas. Al realizar algunas mediciones de resistencia, deberá sostener una resistencia o componente en las puntas de prueba y, en algunas condiciones, se pueden notar fugas a través de los dedos.
Osciloscopios
Un osciloscopio es un instrumento muy útil para probar circuitos porque permite ver las señales en diferentes puntos del circuito. La mejor manera de probar un sistema electrónico es monitorear las señales en la entrada y salida de cada bloque del sistema, verificando que cada bloque esté funcionando correctamente y esté correctamente vinculado con el siguiente.
Básicamente, un osciloscopio muestra un gráfico de una señal eléctrica (Figura 3). En la mayoría de las aplicaciones, el gráfico muestra cómo cambian las señales con el tiempo. El eje vertical (Y) representa el voltaje y el eje horizontal (X) representa el tiempo. La intensidad o el brillo de la pantalla a veces se denomina eje Z. Con un osciloscopio, puede determinar los valores de tiempo y voltaje de una señal, ver las «partes móviles» de un circuito representado por la señal y descubrir qué parte de una señal es corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). , entre otras cosas.
El panel frontal está dividido en tres secciones principales denominadas Vertical, Horizontal y Disparador. Su osciloscopio puede tener otras secciones, según el modelo y tipo. El dispositivo tendrá conectores de entrada, donde conectará sondas. La mayoría de los osciloscopios tienen al menos dos canales de entrada y cada canal puede mostrar una forma de onda en la pantalla. Múltiples canales son útiles para comparar formas de onda. Probablemente utilizará el osciloscopio para medir voltaje y tiempo, y la mayoría de las demás mediciones se basan en una de estas dos técnicas fundamentales.
Figura 3. Ejemplo de osciloscopio.
Fuentes de alimentación
Si está interesado en probar celdas de combustible y utilizar equipos relacionados, querrá investigar el uso de una fuente de alimentación. El propósito de una fuente de alimentación es convertir el voltaje alterno convencional de 110 V o 220 V, o energía CA, en voltaje continuo, o energía CC (consulte la Figura 4).
Hay dos diseños básicos de fuentes de alimentación: lineal y conmutada. Las fuentes de alimentación lineales funcionan obteniendo 110 V o 220 V de la red eléctrica y transformándolos en un valor más bajo, como 12 V. El voltaje más bajo resultante sigue siendo CA. Luego, los diodos transforman el voltaje de CA en voltaje pulsante, que luego es filtrado por un capacitor electrolítico y transformado en algo cercano a CC. Una transformación final, utilizando un diodo zener (generalmente con la ayuda de un transistor de potencia) o un circuito integrado regulador de voltaje, convierte la salida en verdadera potencia de CC.
Las fuentes de alimentación lineales funcionan bien para aplicaciones de bajo consumo; querrás una fuente de alimentación de modo conmutado. En este tipo, el voltaje de entrada aumenta su frecuencia antes de ingresar al transformador y es de tamaño mucho más pequeño. la PC y varios otros equipos electrónicos, como reproductores de DVD. Tenga en cuenta que «conmutar» es una abreviatura de «conmutación de alta frecuencia» y no tiene nada que ver con si la fuente de alimentación tiene un interruptor de encendido/apagado.
Figura 4. Ejemplo de fuente de alimentación de CC.
Estación de prueba básica de pilas de combustible
La Figura 5 muestra una ilustración de una estación de prueba de pilas de combustible básica para mediciones de pilas de combustible. Para las personas con equipo de prueba limitado, se puede comenzar a probar las celdas de combustible con solo un multímetro, un monitor de temperatura/humedad para la habitación y un osciloscopio. Esto proporcionará sólo una cantidad limitada de información sobre el sistema de pila de combustible, pero será suficiente para empezar a examinar el sistema en su conjunto. Para optimizar el sistema de pila de combustible, una buena configuración de prueba con muchos métodos de seguimiento de diferentes pilas de combustible y propiedades del combustible permite controlar y analizar cómo se puede mejorar la pila de combustible. Algunos de los parámetros que podrían monitorearse y caracterizarse son las temperaturas de los combustibles dentro y fuera de la pila de combustible. Las presiones, los caudales y los niveles de humedad de los gases/líquidos también proporcionan información importante para la optimización de las pilas de combustible.
Figura 5: Una estación de prueba básica de pilas de combustible.
Los controladores de flujo másico, manómetros y termopares ayudan a monitorear las condiciones de funcionamiento de la celda de combustible. Un potenciostato/galvanostato y dispositivos de medición analizadores de impedancia pueden ayudar a realizar un seguimiento preciso del rendimiento eléctrico de la pila de combustible. Algunos de los experimentos que se pueden realizar incluyen curvas de polarización, pruebas de interrupción de corriente y voltametría cíclica. Una configuración de prueba como la que se muestra en la Figura 6 puede ayudar a caracterizar con precisión la mayoría de los parámetros y condiciones operativas de la celda de combustible, y se pueden realizar muchos experimentos de caracterización posibles.
Figura 6: Estación de pruebas de laboratorio de pilas de combustible para una pila de pilas de combustible.
Para comenzar a probar la celda de combustible correctamente, se debe verificar la configuración de la prueba, acondicionar la celda y establecer las condiciones de prueba y los parámetros operativos de referencia. Una vez completada la configuración de la prueba, se debe monitorear un seguimiento preciso de la temperatura, la presión, los caudales y otras condiciones operativas durante todo el proceso de prueba.
Conclusión
Las pruebas básicas de pilas de combustible permiten al usuario adquirir mucha información sobre una pila de pilas de combustible para determinar por qué una pila de combustible funciona bien o mal. Algunas de las mediciones eléctricas descritas en esta publicación incluyen la medición de resistencia, voltaje y corriente. También presentamos el multímetro, el osciloscopio y la fuente de alimentación. Se presentaron ilustraciones de configuraciones de prueba de pilas de combustible más sofisticadas, que incluían controladores de flujo másico, sensores de temperatura y humedad y analizadores de impedancia. Incluso si solo tiene acceso a instrumentos de prueba básicos (multímetro, osciloscopio y fuente de alimentación), puede obtener mucha información relevante sobre su pila de combustible. Puede encontrar información adicional sobre las pruebas de pilas de combustible en publicaciones de blog anteriores (Pruebas de pilas de combustible y caracterización de pilas de combustible).
