Caracterización de pilas de combustible
Diferentes técnicas de caracterización permiten la comparación cuantitativa de cada propiedad y parte de la pila de combustible. Al caracterizar adecuadamente la pila de combustible, se puede comprender por qué la pila de combustible funciona bien o mal. Estas técnicas ayudan a discriminar entre activación, pérdidas óhmicas y de concentración, cruce de combustible y materiales defectuosos. Las pruebas in situ son importantes porque el rendimiento de la pila de combustible no se puede determinar simplemente caracterizando sus piezas. Las piezas reales no sólo pueden causar pérdidas de rendimiento, sino que el contacto entre las piezas también puede causar una disminución del rendimiento en las celdas de combustible.
Configuración de prueba de pilas de combustible
Si tiene acceso limitado al equipo de prueba, puede comenzar a probar las celdas de combustible con un multímetro, un monitor de temperatura/humedad para la habitación y un osciloscopio. Esto sólo proporciona información limitada sobre el sistema de pila de combustible, pero será suficiente para comenzar su examen inicial. Una buena configuración de prueba con muchos métodos para monitorear diferentes celdas de combustible y propiedades del combustible le permite controlar y analizar cómo se puede mejorar la celda de combustible. Algunos de los parámetros que se pueden monitorear son las temperaturas, presiones y caudales del 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 un analizador 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 pruebas de polarización, pruebas de interrupción de corriente y voltamperometría cíclica. Una configuración de prueba adecuada puede ayudar a caracterizar con precisión la mayoría de los parámetros y condiciones operativas de la celda de combustible.
Para probar una 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.
Verificación de la Asamblea
La persona que realiza la prueba debe verificar que la pila de combustible esté correctamente asentada en el aparato de prueba. Esto debe hacerse antes de probar cualquier celda de combustible porque expone al experimentador a voltaje, corriente, hidrógeno y oxígeno. Los peligros se eliminan comprobando el aparato de prueba mediante inspección visual y pruebas de presión y fugas de hidrógeno, oxígeno, refrigerante y otros productos químicos. Para garantizar un entorno seguro, suele ser una buena idea tener un sensor de hidrógeno y oxígeno en el entorno del laboratorio. La instrumentación también debe estar instalada adecuadamente y conectada correctamente al sistema de adquisición de datos para generar los datos esperados de prueba de la celda de combustible.
Acondicionamiento de pilas de combustible
Antes de realizar la prueba de la celda de combustible, la celda debe estar adecuadamente acondicionada. Muchas pilas de combustible (según el tipo de pila de combustible) comienzan a proporcionar energía a los pocos segundos o minutos de suministrar combustible. Sin embargo, para realizar pruebas de manera precisa y consistente, se debe desarrollar y utilizar un procedimiento para la puesta en marcha y el acondicionamiento de la celda antes de probarla. Existen varios métodos para arrancar la celda de combustible, y el voltaje, la corriente y otros parámetros operativos de la celda siempre deben registrarse durante las pruebas de la celda de combustible.
Condiciones de prueba básicas y parámetros operativos
Se debe establecer un conjunto básico de condiciones para cada pila de combustible para cada conjunto de pruebas de pilas de combustible. Esta línea de base es una función del hardware que se está probando, las instalaciones de prueba y las condiciones de operación. Se debe establecer un conjunto básico de condiciones para lo siguiente:
• Temperatura de la celda
• Composición de combustible y oxidante
• Temperaturas de entrada de combustible y oxidante
• Temperaturas del punto de rocío de entrada de combustible y oxidante (humedad relativa)
• Presiones de salida de combustible y oxidante
• Estequiometrías de combustible y oxidante (caudales)
• Densidad de corriente (mA/cm2) o voltaje de celda (mV/celda)
• Temperaturas de entrada y salida del refrigerante
• Presiones de entrada y salida del refrigerante
Estas condiciones de referencia deben estudiarse y documentarse cuidadosamente durante el proceso de prueba y se describen brevemente en el resto de esta publicación.
Temperatura
La temperatura de la pila de combustible debe documentarse y mantenerse durante todas las pruebas de la pila de combustible. Como mínimo, se deben monitorear las temperaturas de entrada y salida además de la propia pila de combustible. Para determinar cómo se podría mejorar la celda de combustible, se deben monitorear las temperaturas en toda la pila de celdas de combustible y en cada celda. Cualquier inconsistencia en la temperatura puede alterar el rendimiento de la pila de combustible.
Presión
Las presiones de gas generalmente se monitorean en las entradas y salidas de combustible utilizando transductores de presión para determinar la cantidad de caída de presión que ocurrió dentro de la pila de celda de combustible. Aumentar la presión de la celda de combustible puede mejorar el rendimiento de la celda, pero se debe estudiar el sistema para determinar cómo afectará esto a los otros parámetros de la celda de combustible y si el diseño del sistema es óptimo para presiones aumentadas.
Tasa de flujo
Los caudales se pueden controlar mediante controladores de flujo másico. El rendimiento de la pila de combustible se puede estudiar manteniendo el mismo caudal, aumentando o disminuyendo los caudales y registrando los parámetros resultantes de la pila de combustible.
Fuerza de compresión
Para la mayoría de las configuraciones de pilas de combustible bipolares, existe una fuerza de compresión óptima que ayuda a que la pila de combustible alcance el mejor rendimiento. Las celdas con fuerzas de compresión bajas pueden sufrir una mayor pérdida óhmica, mientras que las celdas con fuerzas de compresión altas pueden sufrir pérdidas de presión o concentración.
Conclusión
Las técnicas de caracterización de pilas de combustible permiten comparar casi todas las características de cada parte de la pila de combustible. Seleccionar la mejor técnica de caracterización, o utilizar una combinación de ellas, le proporcionará información sobre por qué la pila de combustible funciona bien o mal. Estas técnicas ayudan a discriminar entre activación, pérdidas óhmicas y de concentración, cruce de combustible, materiales defectuosos y muchas otras propiedades.
