Puesta en marcha y caracterización de una celda de combustible de membrana electrolítica de intercambio protónico (PEMFC).

Abstract

En el escenario global actual es imperante la búsqueda de fuentes de energía limpias y sostenibles, que minimicen la huella ambiental y maximicen la eficiencia energética, por lo que las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) han emergido como una tecnología prometedora para la generación eficiente de electricidad, debido a sus bajas temperaturas de operación, su alta densidad de potencia, su tamaño compacto, su capacidad de operar a bajas presiones de hidrógeno y su capacidad para proporcionar respuestas rápidas. La presente investigación se basa en un estudio sobre la implementación y caracterización de una celda de combustible PEMFC, con el propósito de profundizar en la comprensión de sus procesos y mejorar su rendimiento. El objetivo de esta memoria de título es caracterizar una celda de combustible PEMFC lo cual se alinea con la necesidad de desarrollar tecnologías energéticas eficientes, sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Lo anterior se llevó a cabo mediante caracterización morfológica de los materiales (microscopía de fuerza atómica), montaje y puesta en marcha de la celda, caracterizaciones electroquímicas a diferentes tiempos de funcionamiento (espectroscopía de impedancia electroquímica EIS y mediciones de ruido electroquímico REQ), mediciones y control de parámetros de entrada (humedad relativa y flujo volumétrico de la corriente de hidrógeno) y caracterización electrónica para realizar mediciones de voltaje y de corriente eléctrica. En los resultados obtenidos de la EIS los electrodos presentan buenas propiedades de conducción eléctrica ante estímulos externos del material, una baja resistividad y una estabilidad en el tiempo. Del REQ, se concluye que los electrodos presentan una actividad electrónica mínima lo cual asegura una estabilidad electroquímica robusta y poco afectada por variaciones o ruido externo. De la caracterización electrónica se obtiene que, de las condiciones de operación estudiadas, la que entrega valores de voltaje más altos es la de un flujo volumétrico de 50 mL/min y una humedad relativa del 67%. Del ANOVA factorial se concluye que tanto el flujo volumétrico como la humedad relativa del hidrógeno son variables que influyen directamente en el voltaje de la celda y por ende son importantes de evaluar al estudiar la optimización del rendimiento de la celda.

In the current global scenario, the search for clean and sustainable energy sources that minimise the environmental footprint and maximise energy efficiency is imperative, so proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) have emerged as a promising technology for efficient electricity generation, due to their low operating temperatures, high power density, compact size, ability to operate at low hydrogen pressures and to provide fast responses. The present research is based on the implementation and characterisation of a PEMFC, with the purpose of deepening the understanding of its processes and improving its performance. The aim of this thesis is to characterise a PEMFC, which is in line with the need to develop efficient, sustainable and environmentally friendly energy technologies. This was carried out by morphological characterisation of the materials (atomic force microscopy), assembly and commissioning of the cell, electrochemical characterisation at different operating times (electrochemical impedance spectroscopy EIS and electrochemical noise measurements REQ), measurements and control of input parameters (relative humidity and volumetric flow of the hydrogen current) and electronic characterisation for voltage and electric current measurements. In the results obtained from the EIS, the electrodes show good electrical conduction properties against external stimuli of the material, low resistivity and stability over time. From the REQ, it is concluded that the electrodes present a minimum electronic activity which ensures a robust electrochemical stability and little affected by variations or external noise. From the electronic characterisation, it is obtained that, of the operating conditions studied, the one that gives the highest voltage values is that of a volumetric flow of 50 mL/min and a relative humidity of 67%. From the factorial ANOVA it is concluded that both the volumetric flow and the relative humidity of the hydrogen are variables that directly influence the cell voltage and are therefore important to evaluate when studying the optimisation of the cell performance.