Técnicas para medir la resistencia de las pilas de combustible
Sin embargo, la curva de polarización de la pila de combustible proporciona información útil sobre el rendimiento de la pila de combustible; Se necesita información adicional para estudiar sus características de rendimiento con precisión. La resistencia de la celda proporciona información reveladora sobre una celda de combustible que no está completamente capturada por las curvas de polarización. Dado que las densidades de corriente de las pilas de combustible son altas en comparación con otros procesos electroquímicos, pequeñas cantidades de resistencia óhmica (miliohmios) tienen un efecto significativo en la eficiencia general.
Una de las mayores fuentes de resistencia en una pila de combustible es el electrolito. Una característica del electrolito es permitir el paso de iones; sin embargo, esto presenta una mayor resistencia que las placas GDL y de campo de flujo eléctricamente conductoras. Esta resistencia del electrolito se llama «polarización óhmica» y es una métrica importante para el rendimiento de las pilas de combustible porque cuantifica las pérdidas internas de las pilas. La resistencia del electrolito debe monitorearse durante el desarrollo y fabricación de la pila porque las pérdidas óhmicas generan calor que debe eliminarse de la celda de combustible. La resistividad del electrolito es función de las condiciones de funcionamiento; por lo tanto, es importante que la resistencia se determine mientras la celda está en funcionamiento.
La interfaz electrodo/electrolito sólido tiene una gran capacitancia asociada que permite usar una medición de CA para determinar una resistencia del electrolito separada de la resistencia de polarización. Los métodos normalmente utilizados para medir la resistencia de electrolitos son la interrupción de corriente (iR), la resistencia de CA, la resistencia de alta frecuencia (HFR) y la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS).
Método de interrupción de corriente (iR)
Un método para medir la resistencia en una pila de combustible es interrumpir la corriente durante un intervalo muy corto (unos pocos milisegundos) y registrar el voltaje resultante. La diferencia entre el voltaje de la celda antes y después de la interrupción de la corriente, dividida por la corriente, es la resistencia de la celda. El comportamiento del voltaje se puede monitorear en tiempo real usando un osciloscopio, o se pueden realizar varias lecturas de voltaje discretas en diferentes tiempos de interrupción. Este método se puede utilizar con dispositivos de medición simples y se puede implementar en sistemas de pilas de combustible de alta potencia.
El método de resistencia de CA
El método de resistencia de CA aplica una única onda sinusoidal fija de alta frecuencia (normalmente 1 kHz) a la pila de combustible para medir la impedancia total de la pila a esa frecuencia. La resistencia óhmica del electrolito se calcula después de corregir la impedancia de la carga, que está en paralelo con la pila de combustible.
Similar al método de interrupción actual, este método solo proporciona un único punto de datos. Una ventaja del método es que la célula se altera mínimamente mientras se realiza esta prueba. Se requiere una caracterización precisa de la fase de ganancia de la impedancia en condiciones de funcionamiento para obtener resultados precisos. La impedancia real de la celda se puede separar utilizando una impedancia de carga medida, junto con los datos de magnitud y fase del miliohmímetro, para calcular la impedancia de la celda.
El método de resistencia de alta frecuencia (HFR)
En el método HFR, la resistencia del electrolito se determina aplicando una pequeña señal de CA a la carga electrónica para modular la corriente de carga de CC. La magnitud y la fase de la respuesta de tensión y corriente CA se miden mediante un analizador de respuesta de frecuencia. Se utiliza una frecuencia única alta, como 1 kHz. El componente de interés es el componente real (Z) que se muestra en miliohmios.
La medición HFR perturba mínimamente la célula; por lo tanto, es adecuado para realizar pruebas durante el funcionamiento rutinario de la pila de combustible. La frecuencia de medición puede variar según el tipo de pila de combustible y debe seleccionarse cuidadosamente. La selección de la frecuencia adecuada se logra comparando la diferencia de fase entre la corriente aplicada y el voltaje medido. Si la diferencia es cero, la celda está funcionando de manera resistiva. Esta frecuencia debe ser donde la componente imaginaria de la impedancia es cero (Z” = 0). En el gráfico de Nyquist, esto ocurre cuando los datos de impedancia cruzan el eje real a alta frecuencia (pequeña Z’). Si el gráfico no cruza el eje real a alta frecuencia, se puede utilizar la frecuencia más alta antes de que el gráfico se desvíe de la forma del semicírculo.
Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS)
La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) es una técnica poderosa que se puede utilizar in situ para caracterizar las impedancias en una pila de pilas de combustible. Las mediciones de impedancia de CA pueden ser útiles para identificar las resistencias de la capa cinética, óhmica, electrolítica y de difusión, así como las limitaciones de transporte en el sistema. Este método utiliza un pequeño potencial de perturbación sinusoidal en una o varias frecuencias, y la respuesta es una señal de corriente alterna (CA) de la misma frecuencia con un posible cambio de fase y amplitud. En algunos sistemas de medición, la corriente CA se impone sobre la corriente CC generada por la pila de combustible y se registra el voltaje en lugar de la corriente. La respuesta registrada se utiliza para calcular la impedancia mediante una técnica matemática. Repitiendo esto a varias frecuencias, se obtiene un espectro de impedancia electroquímica.
EIS es una técnica no invasiva que varía la corriente o el voltaje de la pila de combustible en un pequeño porcentaje. La magnitud de las fluctuaciones depende de la corriente pico a pico de la señal de CA impuesta y de la impedancia de la pila de combustible en cada frecuencia. La medida de Impedancia CA se obtiene con una carga electrónica, un generador de funciones y una computadora. Esta es también la misma configuración que también se puede utilizar para obtener la polarización de una celda de combustible o curvas IC.
EIS es útil para caracterizar fenómenos de transporte rápido y lento porque prueba tanto un rango único como un amplio rango de frecuencias. Esta prueba ayuda a caracterizar la resistencia a la transferencia de masa, la resistencia a la transferencia de electrones durante reacciones electroquímicas y la resistencia iónica a través de la membrana. Estos datos pueden utilizarse luego para caracterizar las distintas impedancias dentro de la pila de combustible.
La técnica EIS es una extensión de la técnica HFR pero se diferencia en dos aspectos. El método HFR utiliza una única frecuencia y sólo examina el componente real de la impedancia. EIS mide una amplia gama de frecuencias y monitorea las variaciones resultantes en magnitud y fase del voltaje y la corriente de la celda con un analizador de respuesta de frecuencia para determinar la impedancia compleja (Z’ y Z») de la celda de combustible. Realizar la prueba es sencillo excepto por seleccionar la frecuencia del generador de funciones. La espectroscopia de impedancia electroquímica es la técnica más utilizada para distinguir las pérdidas de las pilas de combustible.
Conclusión
Examinar la resistencia en la pila de pilas de combustible es un método eficaz para determinar dónde se producen las pérdidas de rendimiento de la pila de pilas de combustible. En pilas de pilas de combustible simples, la resistencia puede deberse a varios factores, incluidos los materiales de construcción, la presión de sujeción y el espesor del electrolito. Las técnicas descritas en esta publicación ayudan a determinar la resistencia de la celda de combustible y específicamente la resistencia de los electrolitos. Se pueden utilizar uno o más de estos métodos (método de interrupción de corriente (iR), resistencia de CA, resistencia de alta frecuencia (HFR) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para comprender y solucionar problemas de pérdidas de resistencia que afectan el rendimiento de la pila de combustible.
