Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.

Posgrado en Energía Renovable

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CARACTERIZACIÓN DE CELDAS DE

COMBUSTIBLE

Tesis que presenta

I.E. DIEGO XAVIER DEL JESÚS GONZÁLEZ QUIJANO

En opción al título de

MAESTRO EN CIENCIAS EN ENERGÍA RENOVABLE

Mérida, Yucatán, México, agosto de 2011

DECLARACIÓN DE PROPIEDAD

Declaro que la información contenida en la sección de materiales y métodos

experimentales, los resultados y discusión de este documento proviene de las actividades

de experimentación realizadas durante el período que se me asignó, para desarrollar mi

trabajo de tesis, en las Unidades y Laboratorios del Centro de Investigación Científica de

Yucatán, A. C., y que dicha información le pertenece en términos de la Ley de la

Propiedad Industrial, por lo que no me reservo ningún derecho sobre ello.

Mérida, Yucatán, México, 7 de julio de 2011

Diego Xavier del Jesús González Quijano

La presente tesis se realizó en los laboratorios de la Unidad de Energía Renovable, del

Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C., bajo la dirección del Dr. Luis Carlos

Ordóñez López.

Dr. Oscar A. Moreno Valenzuela

Director Académico

Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.

AGRADECIMIENTOS

Doy gracias al CONACYT por haberme dado la grandiosa oportunidad de realizar los

estudios en la maestría en energías renovables, en la cual se desarrollan investigaciones

de gran envergadura que llevarán al país a un mejor desarrollo en materia de energía

alternativa.

De igual agradezco al Centro de Investigación Científica de Yucatán, y a sus

colaboradores por brindarnos el apoyo e instalaciones necesarias para poder llevar a

cabo el trabajo de investigación.

Y de manera general estoy profundamente agradecido con todos aquellos que se

involucraron en este proyecto de investigación, como lo son mi tutor y mis asesores; Luis

Carlos Ordoñez, Manuel Aguilar y Mi asesor externo Ernesto Ordoñez.

A los proyectos:

CONACYT-Ciencia Básica- Joven Investigador 58332

FORDECYT-LENERSE- 116157

Fundación Produce Yucatán, folio 31-2008-1717

CIAM-58636

A mis compañeros y grandes amigos:

Wilian Pech Rodríguez por contribuir con el diseño de la celda de combustible, pues fue

de gran utilidad para poder implementar este trabajo.

Y a Frank André Uicab Ballote por su asesoría en cuanto al uso adecuado de los

reactivos.

Dedicatorias

A mi madre y hermanos por el apoyo que me dieron en este paso tan importante en mi

vida.

i

ÍNDICE

PAGINA

LISTADO DE FIGURAS .................................................................................................... III

LISTADO DE TABLAS ...................................................................................................... VI

RESUMEN ......................................................................................................................... 7

ABSTRACT ....................................................................................................................... 8

1. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 9

1.1 La tecnología de las celdas de combustible .......................................................... 10

1.2 Los efectos de la temperatura en celda ................................................................. 11

1.3 Los efectos de la humedad relativa presente en la celda ...................................... 14

1.4 Los efectos de la presión de los gases en la celda ................................................ 16

1.5 Los efectos del flujo del combustible y del oxidante en la celda ............................ 17

1.6 México y la investigación de las celdas de combustible ........................................ 17

2. MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................................... 20

2.1 Introducción .......................................................................................................... 21

2.2 Arquitectura de sistema de caracterización de la celda ......................................... 22

2.2.1 Interfaz software/hardware (DAQ - NI 6008). ................................................. 23

2.2.2 Mediciones (Temperatura, Humedad, Voltaje y Corriente) ............................. 25

2.2.2.1 Sensor de Temperatura (T) LM35. ................................................................. 25

2.2.2.2 Sensor de Humedad (H%) HIH-4030. ............................................................ 31

2.2.2.3 Medición de la corriente y el voltaje; obteniendo la potencia. ......................... 36

2.2.3 Actuadores; calefactores, bomba de combustible y carga variable................. 39

2.2.3.1 Calefactores ................................................................................................... 40

2.2.3.2 Bomba de combustible. .................................................................................. 42

2.2.3.3 Carga resistiva variable. ................................................................................. 45

2.2.4 Conmutadores (multiplexores). ...................................................................... 47

2.2.5 Fuente de Poder ............................................................................................ 50

2.2.6 Software de caracterización ........................................................................... 51

2.3 Pruebas de desempeño de una celda de combustible .......................................... 56

2.4 Análisis de Superficie de Respuesta ..................................................................... 59

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................. 60

ii

3.1 Introducción .......................................................................................................... 61

3.2 Sistema de caracterización. .................................................................................. 61

3.3 Efecto de la temperatura y la concentración de etanol .......................................... 65

3.4 Efecto de la velocidad de flujo ............................................................................... 72

3.5 Análisis de superficie de respuesta ....................................................................... 78

Conclusiones ................................................................................................................... 83

Trabajo por realizar .......................................................................................................... 84

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 85

APÉNDICE A ..................................................................................................................... A

APÉNDICE B ..................................................................................................................... N

iii

LISTADO DE FIGURAS

PAGINA

Figura 1.1. Componentes de una celda de combustible tipo PEM. .................................. 10

Figura 1.2. Perfil típico de una celda de combustible. ...................................................... 12

Figura 1.3. Rendimiento de una celda a 70 ºC, a presión atmosférica normal. ................ 13

Figura 1.4. Rendimiento de una celda SOFC a 800 ºC, a presión atmosférica normal. .... 14

Figura 1.5. Relación humedad/temperatura de una celda tipo PEM [3]. ........................... 15

Figura 1.6. Rendimiento de la celda con distintos porcentajes de Humedad relativa [3]. . 16

Figura 2.1. Sistema de caracterización terminado y funcionando con la celda. ................ 21

Figura 2.2. Sistema de caracterización y celda de combustible. ...................................... 22

Figura 2.3. Aspecto físico de la interfaz software/hardware DAQ - NI-6008. .................... 24

Figura 2.4. Interfaz software/hardware. ............................................................................ 24

Figura 2.5. Interconexión del LM35 al NI-6008. ................................................................ 26

Figura 2.6. Diagrama de bloques de lectura del sensor LM35 desarrollado en LabVIEW. 26

Figura 2.7. Diagrama de flujo de la medición de temperatura. ......................................... 28

Figura 2.8. Aspecto visual del control de temperatura del software. ................................. 28

Figura 2.9. Pruebas de medición de temperaturas. .......................................................... 29

Figura 2.10. Diagrama de flujo de la medición de humedad............................................. 33

Figura 2.11. Diagrama de bloques en Labview de la medición de humedad. ................... 33

Figura 2.12. Higrómetro digital y sensor HIH4030 (75 %RH). .......................................... 35

Figura 2.13. Valores del sensor HIH-4030. ...................................................................... 35

Figura 2.14. Higrómetro digital y sensor HIH4030 (80 %HR). .......................................... 36

Figura 2.15. Valores del sensor HIH-4030. ...................................................................... 36

Figura 2.16. Método de Medición de Corriente y Voltaje. ................................................. 36

Figura 2.17. Diagrama de flujo de la medición de voltaje. ................................................ 37

Figura 2.18. Diagrama de flujo de la medición de corriente.............................................. 38

Figura 2.19. Diagrama de bloques de la obtención del voltaje, corriente y potencia en

Labview. .......................................................................................................................... 39

Figura 2.20. Diagrama de flujo del control de temperatura. .............................................. 41

Figura 2.21. Diagrama de bloques del sistema de temperatura en Labview. ................... 41

Figura 2.22. Bomba de combustible ensamblada. ........................................................... 42

iv

Figura 2.23. Diagrama de flujo de la rutina del control de flujo. ........................................ 42

Figura 2.24. Diagrama de bloques del control de la bomba de combustible en Labview. . 43

Figura 2.25. Conexión de elementos para la calibración de la bomba de combustible. .... 44

Figura 2.26. Diagrama de flujo del control de carga resistiva. .......................................... 45

Figura 2.27. Diagrama de bloques en Labview del control de la carga resistiva. .............. 46

Figura 2.28. Diagrama esquemático y tabla de verdad del circuito HCF4051B. ............... 48

Figura 2.29. Salidas/Entradas de los circuitos multiplexores. ........................................... 49

Figura 2.30. Pruebas del multiplexor HCF4051B con los sensores LM35 y el NI-6008. ... 50

Figura 2.31. Diagrama electrónico de la fuente de alimentación del sistema de control. .. 51

Figura 2.32. Tarjeta electrónica de la fuente de alimentación del sistema de control. ...... 51

Figura 2.33. Diagrama a bloques de proceso del sistema de control. .............................. 52

Figura 2.34. Interfaz del software de control programado en Labview. ............................ 54

Figura 2.35. Interfaz de monitoreo y control de temperatura. ........................................... 54

Figura 2.36. Indicadores de presión de entrada y salida del oxidante. ............................. 55

Figura 2.37. Indicadores de los valores de voltaje, corriente y potencia. .......................... 55

Figura 2.38. Control del flujo del combustible y respaldo de datos. .................................. 55

Figura 2.39. Control de la carga variable e indicadores de los valores de resistencia. ..... 56

Figura 3.1. Hardware del sistema de caracterización ensamblado. .................................. 62

Figura 3.2. Resultados del software de control programado en Labview.......................... 62

Figura 3.3. Impreso de la tarjeta electrónica de la electrónica auxiliar. ............................ 63

Figura 3.4. Vista de planta de la tarjeta electrónica. ......................................................... 63

Figura 3.5. Diagrama electrónico de la tarjeta de control. ................................................ 64

Figura 3.6. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 1 Mol/L de etanol.

........................................................................................................................................ 66

Figura 3.7. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 2 Mol/L de etanol.

........................................................................................................................................ 66

Figura 3.8. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 3 Mol/L de etanol.

........................................................................................................................................ 67

Figura 3.9. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2mL/min y1 Mol/L de etanol.

........................................................................................................................................ 68

Figura 3.10. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2 mL/min y 2 Mol/L de

etanol. .............................................................................................................................. 68

v

Figura 3.11. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2mL/min y 3 Mol/L de

etanol. .............................................................................................................................. 69

Figura 3.12. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5 mL/min y 1 Mol/L de

etanol. .............................................................................................................................. 69

Figura 3.13. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5 mL/min y 2 Mol/litro de

etanol. .............................................................................................................................. 70

Figura 3.14. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5mL/min y 3 Mol/litro de

etanol. .............................................................................................................................. 70

Figura 3.15. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5 mL/min con

temperatura constante de 25ºC y concentración de etanol de 1 M/L. .............................. 72

Figura 3.16. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 25ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L. ............................ 73

Figura 3.17. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 25ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L. ............................ 73

Figura 3.18. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 45ºC y concentración de etanol de 1 Mol/L. ............................ 74

Figura 3.19. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 45ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L. ............................ 75

Figura 3.20. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 45ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L. ............................ 75

Figura 3.21. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 75ºC y concentración de etanol de 1 Mol/L. ............................ 76

Figura 3.22. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con

temperatura constante de 75ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L. ............................ 77

Figura 3.23. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5 mL/min con

temperatura constante de 75ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L. ............................ 77

Figura 3.24. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la

variación de Flujo y Concentración de etanol a temperatura de 45ºC. ............................. 80

Figura 3.25. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la

variación de Temperatura y Concentración de etanol a una velocidad de flujo de 2 mL/min.

........................................................................................................................................ 81

Figura 3.26. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la

variación de Temperatura y velocidad de flujo a una concentración de 2 Mol/Litro. ......... 82

vi

LISTADO DE TABLAS

PAGINA

Tabla 2.1. Mediciones de temperatura en ºC. .................................................................. 30

Tabla 2.2. Desviación de los distintos equipos de medición de temperatura en ºC. ......... 31

Tabla 2.3. Resumen de resultados de humedad relativa. ................................................ 35

Tabla 2.4. Tabla de verdad de los estados de control de la bomba (1 mL/min) ................ 44

Tabla 2.5. Tabla de verdad de los estados de control de la bomba (2 mL/min) ................ 44

Tabla 2.6. Condiciones de los parámetros evaluados en las pruebas de desempeño...... 57

Tabla 2.7. Condiciones experimentales en cada prueba de desempeño.......................... 58

Tabla 2.8. Distribución de experimentos en el diseño factorial 33 ..................................... 59

Tabla 3.1 Resultados promedios y desviación estándar del rendimiento energético de la

celda. ............................................................................................................................... 78

Tabla 3.2 Asignación numérica de los niveles para Graficas de Superficie de Respuesta.

........................................................................................................................................ 79

7

RESUMEN

Debido a la crisis energética, las fuentes de energía renovable empiezan a ganar terreno;

formando parte de nuevas alternativas energéticas que contribuyan a satisfacer las

necesidades actuales de manera limpia y segura para el medio ambiente. Entre estas se

encuentran la energía solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, las celdas de combustible,

entre otras.

Las celdas de combustible son dispositivos que convierten la energía química en

electricidad por medio de reacciones electroquímicas, funcionan de forma ininterrumpida

mientras se le suministre el combustible y el oxígeno. La tecnología de las celdas se

encuentra en un lento desarrollo debido a diversos problemas entre los que podemos

mencionar: la baja densidad de potencia, problemas de difusión, etc. Existen también

factores externos que pueden influir en el desempeño de la celda, por ello este trabajo

tiene la finalidad de investigar los efectos de estos factores, caracterizando el desempeño

de la celda bajo diferentes condiciones de operación. Para lograrlo se desarrolló un

prototipo de monitoreo y control capaz de caracterizar una celda de combustible. Este

sistema consta de un programa informático y un dispositivo electrónico capaz de

establecer los valores de operación de la celda y determinar su comportamiento bajo

dichas condiciones. El sistema electrónico está conformado por cinco módulos que

interactúan entre sí, los cuales controlan la temperatura y el flujo, y miden el voltaje, la

corriente y la potencia. Para el desarrollo de estos módulos se analizaron distintas

tecnologías y técnicas de control y medición, así como de distintos Diagrama de bloques

de programación en Labview hasta adaptarlo a las necesidades. El software es el que se

encarga de controlar, medir y registrar los cambios de los parámetros de la celda logrando

así la caracterización. En la parte experimental, se realizaron veintisiete pruebas a la

celda, las cuales consistieron en mantener una temperatura constante de 25, 45 y 75ºC a

distintas velocidades de flujo de combustible (1, 2 y 5 mL/min). En cada prueba, se

tomaron los valores de corriente, voltaje y potencia. Estas pruebas también se realizaron

con concentraciones de etanol de 1, 2 y 3 Mol/L. De las cuales se obtuvieron sus gráficas

de rendimiento y se efectuó un análisis de superficie de respuesta para encontrar el punto

óptimo de operación de la celda bajo estudio.

8

ABSTRACT

Due to the energy crisis, renewable energy sources begin to gain a quota as part of new

energy alternatives. That contributes to the current energy needs of clean and safe way for

the environment. These include solar, wind, tidal, geothermal, fuel cells among other.

Fuel cells convert chemical energy into electricity through electrochemical reactions;

operates uninterruptedly while supply fuel and oxygen. The fuel cell technology has a slow

grown due to various problems among which we mention: the low power density, diffusion

problems, etc. There are other external factors that can influence the cell performance, so

this paper aims to investigate the effects of these factors, characterizing the fuel cell

performance under different operating conditions. To achieve this we developed a

prototype for monitoring and control capable to characterizing a fuel cell behavior. This

system was assembled with a computer program and an electronic device capable of

setting the values of cell operation and characterizes their behavior under such conditions.

The electronic system consists of five modules that interact with each other, which control

the temperature, flow and measure voltage, current and power. The development of these

modules was tested with different technologies and techniques of measurement and

control, and with different programming algorithms on Labview to suit to the needs. The

software does the measure, control and record changes on the fuel cell parameters thus

leading to the characterization. In the experiments we does twenty-seven tests the cell,

which consisted of maintaining a constant temperature of 25, 45 and 75°C at different fuel

flow rates (1, 2 and 5 mL / min). In each test, we record the values of current, voltage and

power. These also test with ethanol concentrations of 1, 2 and 3 Mol/L which obtained

their performance charts and performed an analysis of response surface to find the optimal

operating point of the cell under study.

9

Capítulo I

1. ANTECEDENTES

Antecedentes

10

1.1 La tecnología de las celdas de combustible

Las celdas de combustible (FC, del inglés Fuel Cell) son dispositivos que, a partir de

reacciones electroquímicas, convierten la energía química de un combustible en energía

eléctrica, calor, y si se emplea hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), a modo de subproducto se

obtiene agua (H2O) con un alto grado de pureza. Para comprender mejor el

funcionamiento de las celdas de combustible se puede utilizar por lo general como

referencia la celda del tipo PEM (figura 1.1). Los otros tipos de celdas aprovechan el

mismo principio, pero con diferentes características de construcción así como también el

uso de otros combustibles empleados para la generación de electricidad.

Figura 1.1. Componentes de una celda de combustible tipo PEM1.

En general, una celda de combustible tipo PEM se compone de dos electrodos (ánodo y

cátodo) separados por una membrana que tiene la función de electrolito. En el ánodo se

suministra el combustible, ya sea hidrógeno (H2) o bien, un alcohol de bajo peso

molecular como el etanol; al cátodo se le alimenta con oxígeno (O2 o aire, oxidante). Las

sustancias electroactivas (Combustible y O2) no se encuentran en contacto directo, ya que

en el interior de la celda se encuentra una membrana electrolito, la que sólo permite el

1 Imagen (George Andreadis, Ethanol crossover and direct ethanol PEM fuel cell performance modeling and

experimental validation, 2006)

Canal de

flujo Canal de

flujo

Capa catalítica

Canal de

difusión Canal de

difusión

Membrana

de

intercambio

protónico

11

paso de protones o iones dependiendo del tipo de celda. Los catalizadores y electrodos

revisten las caras del electrolito. El combustible es oxidado en el ánodo y se generan

protones y electrones que migran hacia el cátodo. Los electrones se desplazan por medio

de la carga o circuito eléctrico externo, en tanto que los protones lo hacen a través del

electrolito. El catalizador del cátodo combina los protones, los electrones y el oxígeno del

aire para formar agua. Usualmente las celdas de combustible son fabricadas en una

estructura de arreglos en serie conocidos como stacks o apilamiento de celdas, con lo

cual es posible obtener niveles de voltaje más altos.

Los principios de esta tecnología fueron descubiertos en 1839 por Sir William Grove. A

pesar de que las celdas de combustible no son una tecnología nueva tuvieron un pobre

desarrollo en sus inicios, y esto se debió principalmente a la pérdida interés en ellas, ya

que en ese momento existían otras fuentes energéticas más económicas y de fácil

obtención; basadas principalmente en el petróleo. [1]

1.2 Los efectos de la temperatura en celda

La temperatura es una variable importante en el desempeño de las celdas de combustible

ya que mejora la cinética de reacción, incrementando el desempeño. Sin embargo, no

cualquier valor de temperatura es el ideal; y varía dependiendo del tipo de celda, de los

componentes y del combustible empleado en ella.

El valor teórico del voltaje en circuito abierto (OCV) de una celda de combustible de

hidrógeno está dado por la fórmula:

Esto da un valor de alrededor de 1,2 volts para temperaturas de operación por debajo de

100 ºC. Sin embargo, este es solo un valor teórico y el voltaje es menor cuando a la celda

de combustible se le demanda una corriente, y por lo general en la práctica es mucho

menor.

12

En la figura 1.2 se presenta el perfil típico del comportamiento de voltaje-corriente de una

celda de combustible, en la cual se puede observar que existen tres regiones de

operación, y en cada una de ellas se puede apreciar las perdidas asociadas. Sin

embargo, este perfil puede cambiar si se varía la temperatura de operación de la celda.

Figura 1.2. Perfil típico de una celda de combustible.

Región de polarización por activación. Las pérdidas de voltaje que se tienen se deben

a la lentitud de las reacciones que se llevan a cabo en la superficie de los electrodos.

Parte del potencial generado se pierde en hacer la transferencia de electrones desde o

hacia los electrodos.

Región de polarización óhmica. La región se caracteriza por tener pérdidas resistivas

asociadas con el flujo de electrones a través del material de los electrodos y por las

conexiones, así como por la resistencia al flujo de iones a través del electrolito, ésta es la

zona que se considera la óptima de operación según la mayoría de los autores, y es en

donde se desea mantenerla funcionando.

Región de polarización por concentración. En esta región se presentan pérdidas

debido al cambio en las concentraciones de los reactantes en la superficie de los

electrodos, en esta zona el valor del voltaje es demasiado bajo al tener corrientes altas. Y

13

se debe porque existe un límite de densidad de corriente, a la cual el combustible tiene su

máximo flujo de alimentación hacia la celda, por lo tanto, la densidad de corriente no

puede exceder este valor debido a que la celda no puede ser alimentada a una mayor

velocidad de flujo.

En la figura 1.3 se presenta el comportamiento del voltaje respecto a la corriente de una

celda operando con una temperatura de 70 ºC, en la gráfica se pueden notar que:

El valor del voltaje de circuito abierto es menor al valor teórico.

Existe una rápida caída de voltaje.

Posteriormente el voltaje decae lentamente y es más lineal.

En corrientes altas el voltaje se abate rápidamente.

Figura 1.3. Rendimiento de una celda a 70 ºC, a presión atmosférica normal.

Si una celda de combustible funciona a temperaturas más altas, la forma del gráfico

cambia (figura 1.4). Ya que el voltaje inicial es menor al valor teórico y la caída inicial de

voltaje es muy pequeña, y la gráfica es más lineal.

Comparando las figuras 1.3 y 1.4, se puede observar que a bajas temperaturas, el voltaje

de circuito abierto es mayor. Sin embargo, a altas temperaturas el voltaje es menor pero

se mantiene más estable al momento de demandarle una corriente, esto se debe a que se

Vo

ltaj

e d

e la

cel

da

(V)

Densidad de corriente (mA cm-2)

El voltaje empieza a disminuir

más rápido con corrientes altas.

El voltaje disminuir más

lentamente y la gráfica es más

lineal

Disminución rápida del voltaje

“Sin pérdida” voltaje de 1.2 V

Incluso el voltaje en circuito abierto es

menor que el valor teórico sin perdida.

14

reducen las pérdidas óhmicas, las de polarización de activación, y las de polarización de

transferencia de masa. [2]

Figura 1.4. Rendimiento de una celda SOFC a 800 ºC, a presión atmosférica normal.

Por lo anterior, se puede decir que la temperatura es un factor importante, y ha merecido

ser investigada; Se han desarrollado varios trabajos que emplean distintos métodos para

el control de la temperatura, estos pueden ser desde sencillos sistemas de on/off hasta

sistemas más complejos que emplean micro controladores programados con rutinas de

control. En este trabajo se empleó un sistema de control de temperatura basado en lógica

difusa (fuzzy logic) controlado por un software diseñado en Labview.

1.3 Los efectos de la humedad relativa presente en la celda

La humedad relativa es un factor importante ya que la conductividad protónica es

directamente proporcional a la humectación de la membrana [3]. Es decir, si la humedad

relativa es muy baja, entonces la membrana se seca y la conductividad entre los grupos

sulfónicos disminuye. Por el contrario, una humedad relativa demasiado alta produce la

acumulación de agua líquida en los electrodos, que pueden llegar a inundar y obstruir los

poros, lo que hace difícil la difusión de los gases, ver figura 1.5.

“Sin pérdida” voltaje de 1.0 V

El voltaje empieza a disminuir

más rápido con corrientes altas.

Vo

ltaj

e d

e la

cel

da

(V)

Densidad de corriente (mA cm-2)

La gráfica es bastante lineal

La caída inicial de voltaje es muy pequeña y el

voltaje de circuito abierto está muy cercano al valor

teórico.

15

El rango resultante de las condiciones de funcionamiento entre estos dos límites es

bastante pequeño. Por lo tanto, debe haber suficiente agua en la membrana de la celda

pero sin llegar a obstruir los poros de la celda, es por ello que la humedad relativa

deseada esta normalmente entre 80 y 100% [3], ver figura 1.6.

Pero estos pueden variar dependiendo del tipo de celda y de los combustibles y oxidantes

empleados. En algunos experimentos realizados el punto óptimo de humedad para el

ánodo es de 100% RH y para el cátodo el valor más óptimo se encuentra en 25% RH [4].

Figura 1.5. Relación humedad/temperatura de una celda tipo PEM [3].

Temperatura (ºC)

Hu

me

dad

re

lati

va (

%)

16

Figura 1.6. Rendimiento de la celda con distintos porcentajes de Humedad relativa [3].

1.4 Los efectos de la presión de los gases en la celda

Un aumento de la presión en la celda tiene algunos efectos que mejoran el

aprovechamiento de combustible debido a que la presión parcial de los reactivos, la

solubilidad del gas y la tasa de transferencia de masas son más altas. Además, la pérdida

de electrolitos por la evaporación se reduce a con la presión de operación.

El aumento de la presión también tiende a aumentar la eficiencia del sistema, produciendo

un voltaje mayor y favorece la expulsión de carbono y la formación de metano en el gas

combustible. Sin embargo, esto requiere de ciertas adecuaciones, tales como tuberías

más gruesas, materiales más resistentes y costos adicionales para la compresión de los

gases. Los beneficios de aumento de la presión se deben equilibrar con respecto a los

problemas que pudieran implicarse en las partes y materiales, así como los costos de

energía que se requiere emplear para tal propósito. En particular, el aumento de las

presiones aumentan los problemas de los materiales en las celdas, y las diferencias de

presión debe reducirse al mínimo para evitar la fuga de gas reactivo a través del electrolito

y los sellos. [1]

Re

sist

en

cia

(oh

m.c

m2 )

Densidad de corriente (mA/cm2)

17

1.5 Los efectos del flujo del combustible y del oxidante en la celda

La capacidad de conversión de energía depende del flujo del combustible (H2 o etanol) y

del oxidante (O2 o aire), del consumo o carga eléctrica y de los materiales catalíticos que

conforman los electrodos. De igual manera, la velocidad de flujo del combustible propicia

el transporte de masas, el crossover, la eliminación del CO2 producido, así como el

intercambio de calor entre la solución de metanol y la capa de catalizador. Cuando el flujo

del combustible es bajo, el desempeño de la celda decae debido a la polarización por

concentración.

Por el contrario, un alto flujo del combustible no sólo facilita el transporte de masas del

combustible y la eliminación del CO2, sino que también incrementa el paso del

combustible a través de la membrana, efecto también conocido como crossover. Además,

un flujo de gran caudal enfría más rápido la superficie del catalizador, y por lo tanto inhibe

su actividad.

Por otra parte un alto flujo del oxidante, mejora el transporte de masa del oxígeno y la

eliminación del agua producida, evitando la saturación de la membrana.

1.6 México y la investigación de las celdas de combustible

En la actualidad, debido a la crisis energética, al calentamiento global y a la cada vez más

difícil extracción del petróleo, la tecnología de las celdas de combustible empieza a ganar

terreno; formando parte de nuevas alternativas que pueden contribuir a satisfacer las

necesidades energéticas de manera limpia y segura para el medio ambiente.

En México, la investigación sobre celdas de combustible se encuentra en una etapa

temprana, por lo que aún existe una dependencia de otros países para adquirirla,

volviéndose con ello más costosa y difícil de implementar en sistemas de uso común; ya

sea para transporte, celulares, computadoras o incluso para operar en conjunto con la red

eléctrica del país, en donde la demanda eléctrica es cada vez mayor [5]. Es por ello que

es necesario asegurar una alta confiabilidad y bajos costos de mantenimiento mejorando

el aprovechamiento de los insumos y la calidad del fluido eléctrico. En general, la

18

investigación sobre las celdas de combustible es extensa, pero la dinámica y el control de

estos dispositivos han recibido una atención relativamente menor.

Las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFCs) han atraído

la atención en años recientes prometiendo ser un reemplazo de las fuentes energéticas

tradicionales, especialmente por su densidad de potencia y baja emisión de gases de

efecto invernadero. Sin embargo, existe un gran número de problemas que hay que

superar para mejorar su rendimiento y reducir los costos de mantenimiento y operación.

Para superar algunos de estos problemas se ha observado que al controlar las variables

de operación de la celda se puede obtener un mejor desempeño de la celda.

En la actualidad, se trabaja en varias técnicas de control que garantizan la correcta

operación de la celda. Una de ellas es el control de la temperatura empleando un micro

controlador ATmega128 al cual se le programó un control de temperatura con PID y un

modulador de pulsos (PWM, por sus siglas en ingles) para el control de los calefactores,

con esta técnica se hace un barrido de potencia de la celda con una temperatura

constante [6], este método ha demostrado mejorar el desempeño de la celda basada en

hidrogeno hasta en un 25% [7]. También existen técnicas donde se mantiene constante la

humedad relativa, reportando que el porcentaje de humedad óptimo es del 70% [3]. Otros

trabajos han desarrollado prototipos que controlan ambas variables (H%, T, humedad

relativa y temperatura) y que pueden mejorar el rendimiento de un stack (conjunto de

celdas de combustible) [8]. En otras investigaciones más completas además de controlar

la temperatura, flujo de los gases y la humedad, también controlan la potencia de salida,

mejorándola, y eliminando las variaciones de voltaje [9] [10] o cambiándola de corriente

directa a corriente alterna [11]. Sin embargo, en México esta tecnología no está

plenamente desarrollada, y aun se requiere realizar más investigación y desarrollo de

prototipos que propicien que esta tecnología sea barata y se impulse la comercialización y

sus aplicaciones para uso común en el país.

En este trabajo se investigan los efectos de los factores externos que afectan una celda

de etanol directo, para lograrlo se desarrolló un prototipo de monitoreo y control, el cual

consta de un programa informático y un dispositivo electrónico capaz de establecer los

valores de operación de la celda y obtener su comportamiento ante diferentes condiciones

19

de operación. El sistema electrónico está conformado por cinco módulos que interactúan

entre sí, los cuales controlan la temperatura y el flujo; y miden el voltaje, la corriente y la

potencia.

20

Capítulo II

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales y métodos

21

2.1 Introducción

El propósito de este trabajo es el desarrollo e implementación de un sistema de capaz de

obtener información necesaria para la caracterización de celdas de combustible, el cual

está constituido por un software informático desarrollado en Labview, que controla los

sensores, conmutadores y actuadores a través de un sistema electrónico (hardware).

Tambien, es capaz de sensar la temperatura (T), el voltaje (V), la corriente (I) de la celda

de combustible y de controlar el flujo del combustible inyectado (Q) y la temperatura de la

celda (T).

Los componentes electrónicos empleados, fueron seleccionados de catálogos,

procurando que sean compatibles con el equipo de adquisición de datos (DAQ – NI 6008);

y en algunos casos fue necesario acoplar más de un circuito electrónico ya que el sensor

o actuador empleado no podía ser controlado directamente o de manera simultánea por la

interfaz DAQ.

Figura 2.1. Sistema de caracterización terminado y funcionando con la celda.

Las pruebas se realizaron en condiciones de laboratorio con una celda de etanol directo

de 9 cm2, la cual fue diseñada y desarrollada en el CICY, por el Ing. Wilian Pech

Rodríguez [12].

22

2.2 Arquitectura de sistema de caracterización de la celda

El módulo del software es particularmente especial e importante (ver sección 2.2.6), ya

que es el encargado de controlar y coordinar el funcionamiento del hardware el cual

efectúa las acciones requeridas tales como cambiar de estado el conmutador para

seleccionar algún sensor, hacer operar el calefactor, o cambiar las condiciones del

sistema de bombeo de combustible. Es también capaz de presentar y almacenar la

información recibida de los sensores en un archivo digital.

Figura 2.2. Sistema de caracterización y celda de combustible.

El hardware está constituido por un sistema de control de temperatura, el cual está

conformado por dos resistencias calefactoras de 150 watts y dos ventiladores. El control

de flujo se constituye por una bomba peristáltica impulsada por un motor a pasos; y la

medición de voltaje se realiza de manera directa a la celda. La corriente se mide de

manera indirecta usando el método de cálculo conociendo el valor de una resistencia, y la

potencia se obtiene del producto entre estos dos valores.

Hardware de

monitoreo y control

Celda de

combustible de

etanol directo

Conexiones de

sensores

23

El hardware desarrollado consta de:

Interfaz software/hardware (DAQ – NI 6008).

Sensores (Temperatura, Humedad, Voltaje y Corriente).

Actuadores (calefactores y bomba de combustible, carga resistiva variable).

Conmutadores (multiplexores).

Una fuente de alimentación para los dispositivos electrónicos.

2.2.1 Interfaz software/hardware (DAQ - NI 6008).

La interfaz software/hardware es la encargada de enlazar el conjunto de sensores y

actuadores con el software de control. Con base en las necesidades del proyecto se

eligió el dispositivo NI 6008 (figura 2.3) entre varios sistemas de interfaz disponibles

comercialmente, este equipo es de bajo costo y tamaño reducido, y cuenta con las

siguientes características [13].

8 entradas analógicas (12 bits, 10 kS/s), las cuales serán empleadas para la

adquisición de datos de la celda (temperatura, flujo, voltaje y corriente), estas

están marcadas desde AI0 hasta AI7 y su rango de entrada en modo diferencial es

de ±20 Volts y en modo simple de 10 Volts.

2 salidas analógicas (12 bits, 10 kS/s), las cuales serán empleadas para el control

de la carga variable, están marcadas como AO0 y AO1 y tienen un rango máximo

de salida de 5 Volts con 5 mA.

12 entradas y salidas (E/S) digitales; contador de 32 bits. Útil para realizar el

multiplexado de circuitos, así como para activar o desactivar actuadores, están

marcadas desde P0.0 a P0.7 y de P1.0 hasta P1.3, estos puestos en su valor de 0,

emite un voltaje de -0.3 a 0.8 volts, en su valor 1 dan un voltaje de 2.0 a 5.8 volts,

con una corriente de 50 µA.

Alimentado por bus USB para una mayor movilidad con conectividad de señal

integrada.

Compatible con LabVIEW. Software en el cual está programado el sistema de

monitoreo y control.

24

Figura 2.3. Aspecto físico de la interfaz software/hardware DAQ - NI-6008.

Con estas características el equipo es capaz de enlazar el hardware con el software

desarrollado en LabVIEW. El software es el encargado de tomar las decisiones de

operación y enviar en un momento dado, ya sea por solicitud o por configuración, una

señal al dispositivo DAQ el cual se encarga de enviar la señal a los componentes

electrónicos, los cuales tienen la función de convertir la señal en una acción

determinada; ya sea tomar la lectura de algún sensor o modificar el estado de algún

actuador.

La figura 2.4 presenta de manera esquemática el sistema de caracterización, como

base de funcionamiento se encuentra el software diseñado en Labview [Fig. 2.4 (1)], el

cual se comunica con el equipo DAQ [Fig. 2.4 (2)] y procesa las instrucciones del

software. En ese momento envía las señales apropiadas a la placa electrónica de

monitoreo y control [Fig. 2.4 (3)], y esta toma el valor enviado por el NI-6008; pudiendo

tomar una acción en un actuador o sensor; que puede ser cambios en la temperatura

o el flujo, recibir valores de voltaje o corriente [Fig. 2.4 (4)].

Figura 2.4. Interfaz software/hardware.

(1) El Software solicita o envía información. (2) El NI-6008, procesa la solicitud. (3) El hardware

efectúa la tarea solicitada. (4) La celda se ve perturbada por el sistema de control.

Entradas/salidas

digitales Puerto USB

Entradas/salidas

analógicas Placa electrónica

interna

(1) (2) (3) (4)

25

2.2.2 Mediciones (Temperatura, Humedad, Voltaje y Corriente)

2.2.2.1 Sensor de Temperatura (T) LM35.

Para realizar las mediciones de la temperatura se empleó el sensor LM35. El sensor

entrega 10.0 mV (milivolts) por cada grado centígrado, es decir, es proporcional a

temperaturas en ºC (grados Celsius). Tiene un rango de medición de temperatura

entre -55 y 150 ºC.

El sensor de temperatura fue conectado a la interfaz como se muestra en la figura

2.5, y a continuación se realizaron mediciones de temperaturas cuyos resultados

fueron comparados con valores de termómetros digitales y de bulbo de mercurio.

Para ello fue necesario realizar lo siguiente:

Cableado del circuito (figura 2.5).

Pruebas de lectura del sensor (valores en mV).

Ajustes en el software para obtener valores equivalentes en ºC.

Calibración.

Con la finalidad de comprobar el funcionamiento, la correcta programación en

LabVIEW y la compatibilidad entre la interfaz NI-6008 y el LM35, se realizó la

conexión del sensor como se indica en la figura 2.5.

26

Figura 2.5. Interconexión del LM35 al NI-6008.

Pruebas de lectura del sensor (valores en mV).

Para efectuar las pruebas de lectura de datos del sensor de temperatura, se

desarrolló un diagrama de bloques sencillo en LabVIEW que realice estas funciones

y convierta los valores en mili volts del sensor a grados Celsius (ver figura 2.6).

Figura 2.6. Diagrama de bloques de lectura del sensor LM35 desarrollado en LabVIEW.

(1) Toma de datos del sensor. (2) Se convierten los valores de voltaje a °C. (3) Se presentan los

valores en forma numérica y gráfica.

El primer paso de la secuencia de las instrucciones (figura 2.7), el software verifica

que sensor está activo e indica a través de un LED cual está activo en ese

momento, y envía una petición de lectura de voltajes en el puerto AI0 (del inglés

(1) (2)

(3)

27

Analog Input 0, entrada analógica) de la interfaz DAQ. Una vez obtenido los valores

en mV el Diagrama de bloques los convierte a grados Celsius, dividiendo el valor

obtenido entre diez (X= AI0/10). El Diagrama de bloques realiza dos correcciones

para evitar mostrar datos erróneos, la primera consiste en hacer un promedio

constante con la intensión de mejorar la calidad de los datos obtenidos, eliminando

valores que fueran atípicos y que estuviera dentro de un rango de ± 0.3 ºC. La

segunda consiste incrementar el valor de temperatura obtenida en 1 ºC si la bomba

de flujo se encuentra activa, ya que las altas corrientes requeridas por el motor de la

bomba provocan una deficiencia de corriente en los circuitos del sensor dando lugar

a una inestabilidad en los valores entregados y mediante la experimentación se

obtuvo que la variación es de -1ºC. Finalmente, el valor de temperatura es

presentado en un cuadro de texto y en una representación gráfica con aspecto de

termómetro analógico.

28

Figura 2.7. Diagrama de flujo de la medición de temperatura.

Figura 2.8. Aspecto visual del control de temperatura del software.

29

Calibración.

El sensor de temperatura LM35 se conectado al sistema de adquisición de datos

(DAQ) y con un Diagrama de bloques sencillo se efectuaron pruebas de monitoreo a

diferentes temperaturas. Las pruebas se realizaron empleando un matraz con agua

destilada y un calefactor variable en el cual se ajustaba la perilla hasta obtener una

temperatura estable, y posteriormente se anotaban los valores de cada instrumento,

repitiendo este proceso tres veces para cada valor de temperatura. El promedio de

las mediciones obtenidas se presentan en la Tabla 2.1. Los instrumentos de

medición empleados fueron un termómetro de bulbo de mercurio, el sensor LM35 y

un termómetro digital (ver figura 2.9).

Figura 2.9. Pruebas de medición de temperaturas.

En la tabla 2.2, se puede apreciar que existe una diferencia mínima entre los

valores obtenidos, teniendo una desviación estándar en promedio de 0.111 °C

respecto al sensor de temperatura LM35, lo cual es un indicativo de que existe una

buena reproducibilidad de los datos con respecto a los demás instrumentos. Y por

lo anterior que se puede decir que el LM35 es un sensor confiable para su

aplicación en la medición de la temperatura en la PEMFC.

30

Tabla 2.1. Mediciones de temperatura en ºC.

Proceso de calentamiento de agua.

Número Temperatura

base, en ºC LM35

Termómetro

digital

Termómetro

analógico

1 27 26.85 27 27.80

2 31 31.13 31 31.50

3 35 35.41 35 34.90

4 39 38.90 39 38.50

5 43 42.90 43 43.10

6 47 46.99 47 46.80

7 51 50.98 51 51.20

8 55 54.97 55 54.60

9 59 58.96 59 58.70

10 63 62.94 63 62.60

11 67 66.86 67 67.10

12 71 70.83 71 70.70

13 75 74.80 75 74.70

14 79 78.81 79 78.60

15 83 82.79 83 82.60

16 87 86.77 87 86.57

17 91 90.75 91 90.54

18 95 94.73 95 94.50

19 99 98.71 99 98.47

31

Tabla 2.2. Desviación de los distintos equipos de medición de temperatura en ºC.

Temperatura base, en ºC DS LM35

DS Term. Digital

DS Term. Analogico

27 0.1060 0 0.5656

31 0.0919 0 0.3535

35 0.2899 0 0.0707

39 0.0707 0 0.3535

43 0.0707 0 0.0707

47 0.0070 0 0.1414

51 0.0141 0 0.1414

55 0.0212 0 0.2828

59 0.0282 0 0.2121

63 0.0424 0 0.2828

67 0.0989 0 0.0707

71 0.1202 0 0.2121

75 0.1414 0 0.2121

79 0.1343 0 0.2828

83 0.1484 0 0.2828

87 0.1626 0 0.3040

91 0.1767 0 0.3252

95 0.1909 0 0.3535

99 0.2050 0 0.3747

Promedio 0.1116 0 0.2574

2.2.2.2 Sensor de Humedad (H%) HIH-4030.

Selección del sensor de humedad.

Para realizar la medición de la humedad relativa se emplea el sensor HIH-4030 de

Honeywell, al igual que el LM35 (sensor de temperatura) se eligió principalmente por

ser un circuito integrado preciso y sencillo. Este sensor es utilizado principalmente

en equipos de refrigeración, calefacción, también se emplea en equipo médico y en

sistemas de secado.

Su voltaje de operación es de 4 a 5.8 Volts, y para su implementación fue necesario

adaptarle un sensor de temperatura, ya que el circuito requiere una corrección por

32

temperatura, debido a que no tiene un comportamiento lineal a diferencia del LM35,

Este ajuste efectuó en el software de Labview, utilizando la siguientes ecuaciones

[14].

( )( ( ) ) (1)

(2)

( )

(3)

( )

( )

(4)

Con la ecuación 1 se obtiene el valor del voltaje de salida del sensor del humedad,

de la cual se conoce el voltaje de salida (Vout), el voltaje de alimentación (Vsupply), y

se desconoce RH; se despeja RH (ec 2), y se sustituye en la ecuación 3, la cual

sirve para obtener el valor real de la humedad relativa aplicando la corrección por

temperatura; esto da como resultado la ecuación 4 y es la que se emplea en el

código de Labview para obtener el valor de la humedad relativa a partir del voltaje

del sensor de humedad HIH-4030 y el sensor de temperatura LM35.

Al inicio de la secuencia del diagrama de flujo (figura 2.10) se toma como primer

punto el valor de ambos sensores (Temperatura y Humedad), el valor de

temperatura se corrige para evitar tener valores atípicos, posteriormente se lleva a

cabo el ajuste de la humedad con el factor de temperatura, según la fórmula 3, y una

vez corregida se presenta en pantalla el resultado obtenido.

33

Figura 2.10. Diagrama de flujo de la medición de humedad.

Figura 2.11. Diagrama de bloques en Labview de la medición de humedad.

34

Calibración

El sensor de humedad fue conectado al sistema de adquisición de datos,

posteriormente se programó la secuencia que efectúa la lecturas y los cálculos de

humedad relativa.

La prueba se basó en la norma ASTM E-104-02 (LIBRO 11.03 ASTM. "Maintaining

Constant Relative Humidity by means of Aqueous solutions, practice for. Páginas

1133-1136.).

Esta prueba consiste en introducir en un recipiente una sal, la cual se seleccionada

dependiendo de la humedad relativa que se desee mantener, para este caso se

empleó cloruro de sodio (NaCl) grado reactivo.

La sal se humedece evitando en lo posible que quede agua libre en la solución; para

que el sistema se estabilice debe mantenerse cerrado y con una temperatura

constante, este sistema debe estar al menos 1 hora sin alteraciones debidas a

cambios en la temperatura o, a la entrada o salida de algún gas. Por lo cual, se hace

en un contenedor cerrado y se deja estabilizar por una hora.

Una vez estabilizado el sistema se procede a tomar la lectura de cada sistema de

medición (higrómetro digital y sensor HIH4030, así como del sensor LM35 para

poder hacer la corrección por temperatura de %RH, pues así lo indican las hojas de

datos del producto).

En las figuras 2.12, 2.13, 2.14 y 2.15, se muestran las pruebas realizadas y los

distintos resultados obtenidos dependiendo de cada sistema de medición empleado.

En las imágenes podemos apreciar que la variación en la medición de la humedad

relativa respecto a un sistema comercial, es mínima, por lo que podemos concluir

que el sistema ajustado por temperatura es la medida más exacta que podemos

obtener, y esto lo hace confiable para emplearlo para el sistema de monitoreo de

humedad de la celda de combustible.

35

Tabla 2.3. Resumen de resultados de humedad relativa.

Humedad

%RH base

%RH

Higrómetro

%RH Sensor

HIH4030 (con

corrección por

temperatura)

%RH Sensor

HIH4030 (sin

corrección por

temperatura)

75 75 75.9 71.5

80 80 80.7 76.1

En la tabla 2.3, se muestra una tabla resumen de los valores de humedad relativa,

en los cuales se hace evidente que es necesario hacer una corrección en la

medición del valor de la humedad relativa. Esta se logra gracias a la implementación

de un sensor de temperatura (LM35) operando en el mismo punto de medición del

sensor de humedad.

Como prueba adicional se modificó la temperatura del sistema acuoso para ver la

velocidad de respuesta del sensor de humedad, la cual fue satisfactoria y se

muestra en la tabla 2.3 como resultado a 80%RH.

Figura 2.12. Higrómetro digital y sensor HIH4030

(75 %RH).

Figura 2.13. Valores del sensor HIH-4030.

Con corrección por factor

de temperatura.

36

Figura 2.14. Higrómetro digital y sensor HIH4030

(80 %HR).

Figura 2.15. Valores del sensor HIH-4030.

2.2.2.3 Medición de la corriente y el voltaje; obteniendo la potencia.

La medición del voltaje se realizó de manera directa a través de los puertos

analógicos del dispositivo NI-6008, ya que el equipo tiene la capacidad de medir de

manera directa hasta ± 10 volts en modo simple y hasta ±20 volts en modo

diferencial; y dependiendo del rango de medición de voltaje al que se programe su

ajuste, el equipo puede tener una mayor sensibilidad de los valores obtenidos.

Para poder corroborar que los valores de voltaje eran aceptables, se realizó una

calibración del equipo respecto a un equipo de medición de uso comercial, conocido

como multímetro. La calibración se efectuó midiendo el voltaje en los mismos puntos

en donde se interconectó el equipo NI-6008, y se verifico que el valor presentado por

el software sea igual o cercano al valor del multímetro, coincidiendo en todos los

casos.

Figura 2.16. Método de Medición de Corriente y Voltaje.

Referencia a neutro

Voltaje de la celda

Caída de tensión para obtener corriente

Con corrección por factor

de temperatura.

37

En la figura 2.16, se muestra el diagrama eléctrico de conexiones del sistema de

DAQ que se empleó para realizar la medición del voltaje y de la corriente. La

medición de voltaje se hace de manera directa, es decir, el equipo DAQ se encarga

de tomar el valor de voltaje sin necesidad de adaptaciones mayores y la medición se

toma directamente de las terminales o bornes de la celda.

El algoritmo empleado es sencillo, y se presenta en la figura 2.17. En esta rutina se

toma directamente del puerto de entrada analógico los valores de voltaje, se filtran

las discrepancias en las variaciones a típicas, y se establece que los valores

menores a 0.0049 serán considerados 0. En caso de que el valor del voltaje sea

mayor a 0.0049, el valor será presentado en modo numérico en la ventana principal

del programa.

Figura 2.17. Diagrama de flujo de la medición de voltaje.

La medición de la corriente se realizó de manera indirecta a través de la RI1, en este

método se mide la caída de tensión en una resistencia con un valor conocido. Esta

resistencia es especial y está diseñada para tal propósito, ya que su valor

permanece constante aun con las variaciones de temperatura, que pueden ir desde -

55 hasta 200 ºC, por lo general los valores de estas resistencias son bajos, ya que

de este modo su consumo es mínimo y se conecta en serie con una carga variable.

38

En este caso se empleó una resistencia con un valor de 0.01 ohms (RI1), y

empleando la ley de Ohm, se tiene que la corriente es igual a la razón del valor de la

caída de tensión y el valor de la resistencia (I= V/R). El diagrama de flujo del

algoritmo se presenta en la figura 2.18 y el diagrama de conexiones se puede ver en

la figura 2.16. Su descripción es similar igual al caso anterior, con la excepción del

valor de voltaje mínimo es de 0.009786, y se añade la conversión matemática del

voltaje en corriente con la formula I= V/R, donde I es la corriente por encontrar, V, es

el valor obtenido del equipo DAQ y R el valor constante de la resistencia RI1, que es

de 0.01 Ω.

Figura 2.18. Diagrama de flujo de la medición de corriente.

El valor de la potencia de la celda obtiene del producto de los valores obtenidos de

la corriente y el voltaje obtenidos (P=V * I), el Diagrama de bloques en Labview de

las funciones descritas anteriormente se muestra en la figura 2.19. El bloque de

“entrada analógica” representa de manera simbólica el equipo NI-6008 [figura 2.19

(1)], del cual llegan los valores de voltaje en RI1 y de la celda. Posteriormente, los

dos multiplexores se encargan de tomar la señal correspondiente del puerto [figura

39

2.19 (2)], y se procesan con las condiciones convertir en cero los valores por debajo

de 0.0049 y 0.0097 [figura 2.19 (3)]. Para el caso del voltaje de la celda se

representa directamente a pantalla, mientras que el valor de corriente es calculado

previamente a su salida en pantalla [figura 2.19 (4)]. Con estos dos valores el

resultante es multiplicado X1 y X2 para obtener la potencia [figura 2.19 (5)].

Figura 2.19. Diagrama de bloques de la obtención del voltaje, corriente y potencia en Labview.

2.2.3 Actuadores; calefactores, bomba de combustible y carga variable.

Los actuadores son dispositivos encargados de convertir las señales de control en

un trabajo o acción determinada, para el prototipo desarrollado en este trabajo se

emplearon tres actuadores; las resistencias calefactoras, los ventiladores para el

enfriamiento de la celda y el motor a pasos empleado como medio de propulsión de

una bomba peristáltica.

1) Entrada de valores

2) Filtros de

señal

3) Adecuación de valores

4) X = Voltaje / 0.01

5) P = V * I

40

2.2.3.1 Calefactores

Las resistencias calefactoras, son los actuadores responsables de incrementar la

temperatura de la celda, y el control es realizado por el software de caracterización

con ayuda del sistema de adquisición de datos.

El control de la temperatura está basado en la lógica difusa o Fuzzy Logic, que es un

sistema que puede resolver problemas tal como lo haría un humano, problemas

tales como controlar la presión y temperatura de una caldera, procesar y reconocer

imágenes o controlar una lavadora de ropa, estás son situaciones dinámicas que

son más fácilmente caracterizadas por palabras que por expresiones matemáticas.

Lo que lo hace un método de control flexible, ya que se puede usar para tomar

decisiones de control con una o múltiples variables simplificando su codificación.

Una característica de este sistema es que ofrece salidas de una forma veloz y

precisa, disminuyendo transiciones de estados en el entorno físico que controla y

por lo tanto puede llevar a tener un ahorro de energía para efectuar el control

deseado.

En la figura 2.20, se aprecia el diagrama de flujo de la operación del sistema de

temperatura. El control de la temperatura se programó de dos formas, la primera es

de sólo calentamiento y únicamente se encarga de calentar la celda hasta alcanzar

el máximo permisible. La segunda opción es de control automático; al inicio del

proceso de la rutina se comprueba que se encuentra activado el control automático

de temperatura, si está activado, se comprueba el valor de la temperatura a través

del sensor LM35. Si el valor de la temperatura es mayor al valor máximo permisible,

se apagan los calefactores; y se encienden los ventiladores, entrando en un bucle

hasta que la temperatura sea menor al valor máximo permisible. Por el contrario, si

la temperatura es menor, se procesa el valor de la temperatura con el sistema de

control Fuzzy Logic, y se determina el tiempo que tardará encendido el calefactor o

el ventilador para poder alcanzar la temperatura deseada, posteriormente se ejecuta

la acción solicitada, y se regresa al inicio de la rutina, para entrar en un ciclo hasta

que se desactive el sistema de control de temperatura automático. La rutina ya

codificada en Labview se muestra en la figura 2.21.

41

Figura 2.20. Diagrama de flujo del control de temperatura.

Figura 2.21. Diagrama de bloques del sistema de temperatura en Labview.

Controles Fuzzy Logic

Control de señales de los

actuadores

Valores de temperatura

42

2.2.3.2 Bomba de combustible.

El control de la bomba emplea un algoritmo simple (figura 2.23), en el primer paso

se verifica si se encuentra activada la opción de bombeo, si se encuentra activa se

verifica en qué posición esta la barra de flujo, y se determina el valor decimal que

será convertido a binario y enviado al puerto de salidas digitales del NI-6008 (Ver

tablas 2.4 y 2.5). Para poder realizar la operación fue necesario implementar una

etapa de potencia en el puerto de las salidas digitales, en el cual se empleó el

circuito L298N, el cual es un puente controlador de alta corriente de cuatro salidas, y

es capaz de soportar hasta 4 Amp sostenidos. La rutina de este módulo programada

en Labview se puede ver en la figura 2.24.

Figura 2.22. Bomba de combustible ensamblada.

Figura 2.23. Diagrama de flujo de la rutina del control de flujo.

43

Figura 2.24. Diagrama de bloques del control de la bomba de combustible en Labview.

Calibración

La velocidad del giro del motor es controlada por el software siguiendo la secuencia

mostrada en las tablas 2.4 y 2.5, en las que se puede apreciar el valor binario que

tendrá cada uno de los estados en las salidas de NI-6008. Cada uno de estos

valores se envían de manera secuencial, y en su conjunto representan únicamente

un giro completo de la flecha del motor a pasos, por lo que estos valores se repiten

en un ciclo indeterminado para poder mantener el flujo, y se detiene únicamente en

el momento que el usuario lo solicite al software.

Para obtener los valores de las tablas y conseguir los flujos adecuados en la bomba,

se requirió de una calibración del flujo. Este procedimiento se llevó a cabo

empleando una probeta graduada y un cronómetro (ver figura 2.25). La prueba

consistió en programar en Labview la secuencia de pasos y ejecutarla en un ciclo

para generar un flujo constante durante un minuto, al término del tiempo establecido

se midió la cantidad de líquido impulsado y se determinó el flujo. Se probaron

distintas secuencias y distintos tiempos en los pasos de cada secuencia, hasta

encontrar la velocidad adecuada del flujo, logrando dos velocidades permitidas por

el motor a pasos, logrando velocidades de 1 y 2 mL/min.

Código binario de salida para

el motor a pasos

Valores de salida NI-6008

44

Tabla 2.4. Tabla de verdad de los estados de control de la bomba (1 mL/min)

Secuencia Estado de la Bobina del motor Binario Decimal

Flujo de 1 mL/min

D B C A Salida

1 OFF OFF OFF ON 0001 1

2 OFF ON OFF ON 0101 5

3 OFF ON OFF OFF 0100 4

4 OFF ON ON OFF 0110 6

5 OFF OFF ON OFF 0010 2

6 ON OFF ON OFF 1010 10

7 ON OFF OFF OFF 1000 8

8 ON OFF OFF ON 1001 9

Tabla 2.5. Tabla de verdad de los estados de control de la bomba (2 mL/min)

Secuencia Estado de la Bobina del motor Binario Decimal

Flujo de 2 mL

D B C A Salida

1 OFF ON OFF ON 0101 5

2 OFF ON ON OFF 0110 6

3 ON OFF ON OFF 1010 10

4 ON OFF OFF ON 1001 9

Figura 2.25. Conexión de elementos para la calibración de la bomba de combustible.

45

2.2.3.3 Carga resistiva variable.

Para caracterizar una celda de combustible es necesaria una carga resistiva

variable. Parar lograrlo, se implementó una resistencia variable compuesto por un

MOSFET, el cual es en un transistor de efecto de campo basado en la estructura

MOS. Estos circuitos MOS pueden funcionar de tres maneras; como switch, en

modo saturación y como una resistencia controlada por voltaje. Esta última se logra

al aplicar un voltaje en una de las terminales, y dependiendo del valor será la

cantidad de corriente que puede circular entre las dos terminales restantes. Este

valor de voltaje es controlado por el software y el NI-6008, el diagrama de flujo de

este proceso se representa en la figura 2.26 y en la figura 2.27 se puede ver el

Diagrama de bloques en Labview.

Figura 2.26. Diagrama de flujo del control de carga resistiva.

El diagrama de flujo inicia comprobando que el control de la carga este activado, en

caso de ser positivo; se procede a verificar que el valor de la salida analógica sea

mayor o igual a 2.5 volts, que es el valor máximo de operación en forma lineal del

circuito MOSFET empleado, en caso de ser mayor, el valor del voltaje se restablece

a 1.3 volts, para que el circuito MOSFET quede con una alta impedancia quedado

prácticamente en circuito abierto; en caso de que el voltaje de salida sea menor de

46

2.5 volts se irá incrementando en pasos de 0.001 volts, en intervalos de un

milisegundo, para ir reduciendo el valor de la resistencia e ir incrementando el valor

de la corriente circulante, creando así una carga resistiva variable en el tiempo. Y

con esto se obtiene un barrido de potencia de la celda de combustible.

Figura 2.27. Diagrama de bloques en Labview del control de la carga resistiva.

El software es también capaz de calcular el valor de la resistencia interna de la

celda; y se obtiene con la de la fórmula 5, en donde el prototipo toma el valor de la

celda sin carga, es decir antes de iniciar el barrido con la carga variable, y

posteriormente al finalizar el barrido de potencial toma el valor de voltaje final con

carga máxima, de la diferencia de estos factores se divide entre la corriente

alcanzada obteniendo el valor de la resistencia interna Ri.

( )

(5)

47

2.2.4 Conmutadores (multiplexores).

Debido a que el equipo comercial de adquisición de datos (DAQ NI-6008) está limitado

por la cantidad de puertos de entrada y salida (E/S) físicamente disponibles, fue

necesario implementar un sistema que sea capaz de conmutar la lectura de las

señales y enviarlas a un solo puerto del equipo DAQ en periodos de tiempo muy

cortos, a este proceso se le conoce como multiplexado.

Principales características de los multiplexores:

Tienen impedancia alta de entrada de canal “cerrado”, para evitar interferencia con

otras señales en espera.

Direccionamiento binario.

Bajo consumo 0.2 µWatts

Voltaje de operación del circuito: 5 V a 15 Volts.

Valor máximo de entrada 20 V p.p.

Tiempo de respuesta es de 50, 40 y 33 ns respectivamente.

Gracias a estos circuitos el sistema de control se puede hacer más compacto y

económico, y se eligen el circuito integrado (C.I.) dependiendo de la aplicación.

El multiplexor HCF4051B (simple de 8 canales, ver figura 2.28) se empleó para la

conmutación en la adquisición de los valores de los sensores de temperatura,

humedad y presión.

48

Figura 2.28. Diagrama esquemático y tabla de verdad del circuito HCF4051B.

En la figura 2.28 se puede ver el diagrama esquemático del circuito HCF4051B, el

circuito tiene físicamente 16 terminales o pines (figura 2.29), de los cuales tres de ellos

se reservan para la alimentación del circuito (pines 7, 8 y 16). Tres más son

empleados para seleccionar el canal deseado dependiendo del valor que se le asigne

en un momento dado, estos valores se ven regidos por los valores de selección o

tabla de verdad que presenta el fabricante (pines 6, 9, 10 y 11).

Los pines 1, 2, 4, 5, 12, 13, 14 y 15, sirven de entrada de datos al circuito; y reciben la

información de los sensores constantemente, pero el pin 3, que es el de salida común,

solo dejará pasar la información del sensor que este seleccionado por los pines 6, 9,

10 y 11. Este principio es básicamente el mismo para los demás circuitos

49

multiplexores empleados en el prototipo, y la tarea de que sensor elegir y en donde

representarlo o qué hacer con el valor obtenido es trabajo del software.

Figura 2.29. Salidas/Entradas de los circuitos multiplexores.

Pruebas de funcionamiento

Para comprobar la operación y efectividad de los multiplexores, se efectuó una serie

de pruebas en donde se suministraron simultáneamente tres potenciales distintos en

las entradas del circuito y en la salida común se midió el voltaje con el dispositivo DAQ

y un multímetro. Empleando un Diagrama de bloques de selección manual en

Labview, y basándose en la tabla de selección que presenta el fabricante en la hoja de

datos del producto se elige el valor de salida digital del NI-6008.

Una vez seleccionada la entrada se tomar el valor de voltaje en la salida común, el

cual coincidió el voltaje en los tres casos.

Canales Entrada/Salida

Canales Entrada/Salida

Canales Entrada/Salida

VDD

2

1

0

3

A

B

C

4

6

Entrada/Salida común

7

5

INH

VEE

VSS

50

2.2.5 Fuente de Poder

Para poder hacer funcionar el prototipo fue necesario construir una fuente de

alimentación típica regulada, para la alimentación de los equipos y circuitos externos

de sensores y actuadores.

La fuente de poder consta de un transformador que reduce el voltaje de 120 volts c.a.

a 12 volts c.a. (corriente alterna), posteriormente el voltaje es rectificado por un puente

de diodos a corriente directa (c.d.) con cierta oscilación conocida como rizo, la cual se

elimina con un par de capacitores y un circuito regulador para evitar variaciones de

voltaje que puedan dañar los circuitos integrados auxiliares (Tabla A.1 en el apéndice).

La fuente es capaz de suministrar 12 y 5 volts, ya que el prototipo requiere de ambos

voltajes para poder funcionar correctamente.

Figura 2.30. Pruebas del multiplexor HCF4051B con los sensores LM35 y el NI-6008.

51

Figura 2.31. Diagrama electrónico de la fuente de alimentación del sistema de control.

Las figuras 2.32 y 2.33, muestran la placa fenólica de la fuente de poder, presentando

la cara superior y la inferior respectivamente.

Figura 2.32. Tarjeta electrónica de la fuente de alimentación del sistema de control.

2.2.6 Software de caracterización

El software de caracterización fue diseñado en Labview y sus funciones principales

son el control de la temperatura, del flujo del combustible, y de la carga variable de la

52

celda de combustible. Es decir, integra las funciones descritas en los apartados

anteriores. El esquema de estos procesos se puede ver en el diagrama a bloques de

la figura 2.33, y se puede apreciar en ella cada una de estos módulos y su interacción

con el software. Este no se basó en programas o códigos anteriores diseñados, sino

que se diseñó y codificó de acuerdo a nociones de programación previas, por lo que

no existe información de antecedentes para este software.

LabVIEW es una herramienta visual para pruebas, control y diseño mediante la

programación gráfica, esto significa que los programas no se escriben, sino que se

dibujan, facilitando su comprensión y desarrollo. Los programas hechos con LabVIEW

se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs. Entre sus objetivos están el reducir el tiempo

de desarrollo de aplicaciones de todo tipo, no sólo en ámbitos de pruebas, control y

diseño. LabVIEW consigue combinarse con todo tipo de software y hardware, tanto del

propio fabricante (tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, instrumentos y otro

hardware) como de otros fabricantes.

Figura 2.33. Diagrama a bloques de proceso del sistema de control.

El Labview es usado principalmente para la adquisición de datos y análisis

matemático, comunicación y control de instrumentos de cualquier fabricante,

automatización industrial y programación de PACs (Controlador de Automatización

53

Programable), control y supervisión de procesos, robótica, domótica, entre otras

aplicaciones.

Cada VI consta de dos partes:

El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, y se emplea para interactuar con el

usuario cuando el programa se está ejecutando. En esta interfaz se definen los

controles, que se pueden ser de entrada, como son los cuadros de texto, botones,

marcadores, etc., e indicadores que se emplean como salidas, como puede ser un led,

un termómetro, etc.

El diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define su

funcionalidad, aquí se colocan íconos que realizan una determinada función, que se

interconectan, para poder interactuar entre ellos.

El software de caracterización desarrollado tiene una interfaz (figura 2.35) bastante

amigable e intuitiva, por lo que no se requiere un amplio conocimiento de computación

para poder operarlo, ya que los procesos anteriormente descritos son transparentes

para el usuario, es decir, en el software sólo se debe hacer clic en la función que se

desea y el programa se encarga de realizar el enlace con el equipo NI-6008 y los

actuadores; y dependiendo de la operación seleccionada, el conjunto se encargara de

realizar las acciones necesarias con los sensores o actuadores, y presentará los

resultados en pantalla en forma gráfica, de texto o en su caso un trabajo físico en la

celda.

54

Figura 2.34. Interfaz del software de control programado en Labview.

La pantalla principal del software de caracterización se puede dividir en 5 apartados,

en el primero (figura 2.35) se muestra la temperatura actual de la celda, así como los

controles para calentar de forma manual o automática la celda, también se muestra un

histórico del comportamiento de la temperatura de ambos platos de la celda. En uno

de los apartados se muestra la temperatura y la humedad contenida en el gas.

Figura 2.35. Interfaz de monitoreo y control de temperatura.

En la figura 2.36, se presenta la sección correspondiente al sistema de monitoreo de

la presión de los gases de entrada y salida. En esta parte se muestran los valores

obtenidos de los sensores, que se muestran de forma gráfica y numérica, en valores

de psi (presión por pulgada cuadrada) y kPa (kiloPascales).

(1)

(3)

(2)

(4)

(5)

55

Figura 2.36. Indicadores de presión de entrada y salida del oxidante.

Figura 2.37. Indicadores de los valores de voltaje, corriente y potencia.

En la figura 2.37, se presenta la sección de la pantalla del programa que se encarga

de presentar los valores de voltaje, corriente y potencia obtenidos de la celda. Esta

información se muestra de forma numérica, en forma de grafica histórica y en forma

de grafica de doble eje referido a la corriente contra voltaje y potencia.

Figura 2.38. Control del flujo del combustible y respaldo de datos.

56

La figura 2.38, muestra la sección del control de flujo del combustible, en el cual se

tiene una barra deslizable para ir seleccionando la velocidad del flujo. Como función

adicional se programó una rutina que se encarga de almacenar al disco duro la

información obtenida de las pruebas realizadas a la celda, esto con el fin de poder

analizar posteriormente los datos en algún otro programa de análisis matemático o

estadístico, como por ejemplo el “Statgraphics Centurion”.

Figura 2.39. Control de la carga variable e indicadores de los valores de resistencia.

En la figura 2.39 se muestra la sección se controla la carga variable para poder

efectuar las pruebas de caracterización de la celda, en la cual basta con activar o

desactivar el switch para activar o desactivar el incremento automático de la

resistencia o carga variable.

2.3 Pruebas de desempeño de una celda de combustible

Se realizaron varias pruebas de desempeño con la finalidad de evaluar el funcionamiento

del Prototipo de Caracterización desarrollado en este trabajo. Dichas pruebas consistieron

en determinar el comportamiento del Voltaje y la Potencia contra la Intensidad de

Corriente en una celda de combustible de etanol directo, cuya área de electrodos fue de 9

cm2. Para esto, se calculó el rendimiento energético de la celda expresado en unidades

de Potencia (mW/cm2) a partir de la medición de tres parámetros (Temperatura, Flujo y

Concentración) con tres niveles cada uno, tal como se muestra en la siguiente tabla.

57

Tabla 2.6. Condiciones de los parámetros evaluados en las pruebas de desempeño.

Parámetros

evaluados

(Factores)

Niveles de los parámetros

Bajo

(-1)

Medio

(0)

Alto

(+1)

Temperatura de la

solución de etanol 25ºC 45ºC 75ºC

Flujo de etanol 1 mL/min 2 mL/min 5 mL/min

Concentración de

etanol

1 Moles/Litro 2 Moles/Litro 3 Moles/Litro

(-1), (0), (+1); asignación de niveles bajo, medio y alto para realizar el análisis estadístico de

Superficie de Respuesta de los tres parámetros evaluados.

Con las condiciones establecidas en la tabla anterior, se obtuvieron 27 combinaciones

experimentales para realizar las pruebas de desempeño utilizando el Prototipo de

Monitoreo y Control, tal como se observa en la tabla 2.7.

Cabe aclarar que en cada punto se dejó un tiempo de estabilización para que la celda

alcance las condiciones establecidas de temperatura.

Las gráficas del comportamiento del Voltaje contra la Intensidad de Corriente y de la

Potencia contra la Intensidad de Corriente, así como, el rendimiento energético de la

celda expresado en unidades de Potencia (mW/cm2) se realizaron con el software de

caracterización.

58

Tabla 2.7. Condiciones experimentales en cada prueba de desempeño.

Prueba de

desempeño

Temperatura de

la solución de

etanol

(ºC)

Flujo de la

solución de

etanol

(mL/min)

Concentración de

la solución de

etanol

(Moles/Litro)

1 75 5 1

2 45 5 1

3 25 5 1

4 75 2 1

5 45 2 1

6 25 2 1

7 75 1 1

8 45 1 1

9 25 1 1

10 75 5 3

11 45 5 3

12 25 5 3

13 75 2 3

14 45 2 3

15 25 2 3

16 75 1 3

17 45 1 3

18 25 1 3

19 75 5 2

20 45 5 2

21 25 5 2

22 75 2 2

23 45 2 2

24 25 2 2

25 75 1 2

26 45 1 2

27 25 1 2

59

2.4 Análisis de Superficie de Respuesta

Para el análisis de Superficie de Respuesta se consideró como Factores a cada uno de

los tres Parámetros (temperatura, flujo y concentración de etanol) evaluados en las

pruebas de desempeño.

Y se les asignó un número de acuerdo a los tres niveles establecidos en cada parámetro:

bajo (-1), medio (0) y alto (+1). La variable de respuesta fue el rendimiento energético de

la celda, expresado en unidades de Potencia (mW/cm2). El análisis estadístico de los

datos con un 95% de confianza y las gráficas de superficie de respuesta se realizaron con

el software “Stat Graphics Centurion”.

En la tabla 2.8, se muestra el diseño factorial 33 utilizado en este trabajo, con el cual se

realizó el análisis estadístico. Y también se muestra la distribución aleatoria de los

experimentos realizados.

Tabla 2.8. Distribución de experimentos en el diseño factorial 33

Concentració

n de la

solución de

Etanol

Temperatura de la solución de Etanol

(-1)

25ºC

(0)

45ºC

(+1)

75ºC

Flujo Flujo Flujo

(-1)

1mL/min

(0)

2mL/min

(+1)

5mL/min

(-1)

1mL/min

(0)

2mL/min

(+1)

5mL/min

(-1)

1mL/min

(0)

2mL/min

(+1)

5mL/min

(-1): 1 Mol/Litro E-9 E-6 E-3 E-8 E-5 E-2 E-7 E-4 E-1

(0): 2 Moles/Litro E-27 E-24 E-21 E-26 E-23 E-20 E-25 E-22 E-19

(+1): 3

Moles/Litro E-18 E-15 E-12 E-17 E-14 E-11 E-16 E-13 E-10

Experimento realizado por triplicado.

60

Capítulo III

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Resultados y discusión

61

3.1 Introducción

En este capítulo se presentan los resultados, de la investigación, desarrollo e

implementación de un sistema de caracterización electrónico controlado por computadora,

así como también de las pruebas realizadas con el prototipo y su posterior análisis del

comportamiento de la celda de etanol directo ante distintas condiciones de operación. La

celda de etanol directo bajo estudio se caracterizó bajo distintas condiciones de

operación, variando el flujo de combustible, su concentración, la temperatura de

operación. Y basado en las pruebas de caracterización de la celda, se realizó el análisis

de superficie de respuesta, del cual obtenemos información para determinar las

condiciones óptimas de operación de la celda para obtener un mejor desempeño y

aprovechamiento del combustible.

3.2 Sistema de caracterización.

El sistema de caracterización de celdas de combustible, es capaz de controlar la

temperatura, ya sea para incrementarla o reducirla. Controla el flujo del combustible

inyectado a la celda, mide voltajes y los procesa para obtener los valores de corriente y

potencia, también es capaz de controlar una carga variable en un tiempo dado, con lo que

se consigue efectuar la caracterización de la celda con distintas corrientes.

Con este sistema se realizaron varias pruebas a una celda de combustible; las cuales

consistieron en 27 experimentos realizados para determinar el efecto de la temperatura, la

velocidad de flujo y la concentración de la solución de etanol de la celda, sobre el

comportamiento del voltaje, la potencia, la intensidad de corriente y el rendimiento

energético de la celda. Los resultados fueron graficados utilizando el software de

caracterización, ver figura 3.2.

62

Figura 3.1. Hardware del sistema de caracterización ensamblado.

Figura 3.2. Resultados del software de control programado en Labview.

63

Figura 3.3. Impreso de la tarjeta electrónica de la electrónica auxiliar.

Figura 3.4. Vista de planta de la tarjeta electrónica.

64

Figura 3.5. Diagrama electrónico de la tarjeta de control.

65

3.3 Efecto de la temperatura y la concentración de etanol

En la figura 3.6, se presenta la variación del Voltaje y de la Intensidad de corriente de la

celda a 25, 45 y 75ºC, con un flujo de etanol de 1 mL/min y con una concentración de

etanol de 1 Mol/L. El comportamiento de las curvas con estas condiciones de operación

de la celda, muestra que el incremento de temperatura favorece el rendimiento

energético.

Por su parte, en la figura 3.7, se puede observar la variación del Voltaje y de la Intensidad

de corriente de la celda a 25, 45 y 75ºC, con un flujo de etanol de 1 mL/min y con una

concentración de etanol de 2 Mol/litro. En este caso, también se obtuvieron gráficas cuyo

comportamiento demuestra que los mejores rendimientos energéticos se obtienen a 75ºC.

Sin embargo, al haber trabajado con una concentración de etanol de 2 Mol/litro los

rendimientos resultaron menores que al trabajar con una concentración de 1Mol/L. Lo que

sugiere que las concentraciones bajas de etanol favorecen el rendimiento energético,

debido a que las moléculas no saturan la solución y entonces el etanol en bajas

concentraciones se ioniza y viaja más rápido.

En la figura 3.7, también se observan algunos saltos en las curvas de Voltaje y Potencia

que pudieran deberse a interferencias causadas por la exposición de la muestra al aire

atmosférico que puede causar cambios en la conductividad, debido a pérdida o ganancia

de gases disueltos, en especial el CO2. Para evitar esto se recomienda tener una

atmósfera inerte de nitrógeno o helio sobre la muestra.

66

Figura 3.6. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 1 Mol/L de etanol.

Figura 3.7. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 2 Mol/L de etanol.

En la figura 3.8, se presenta la variación del Voltaje y de la Intensidad de corriente de la

celda a 25, 45 y 75ºC, con un flujo de etanol de 1mL/min y con una concentración de

etanol de 3 Moles/litro. Y bajo estas condiciones, las curvas de voltaje y potencia vs

67

intensidad de corriente, reflejan un comportamiento similar a las dos gráficas anteriores.

Siendo la temperatura de 75ºC la que generó mayor rendimiento energético. Pero si se

comparan las gráficas de las figuras 3.6, 3.7 y 3.8 se observa que el aumento de la

concentración de etanol en la celda provoca que los rendimientos sean más bajos.

Figura 3.8. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 1mL/min y 3 Mol/L de etanol.

En la figura 3.9, se observa la variación del Voltaje y de la Intensidad de corriente de la

celda a 25, 45 y 75ºC, con un flujo de etanol de 2mL/min y con una concentración de

etanol de 1 Mol/L. En la figura 3.10, se presentan las mismas condiciones de temperatura

y flujo, pero con 2 Moles/Litro de concentración de etanol. Y en la figura 3.11, con 3

Mol/Litro. El comportamiento de las curvas de voltaje y de potencia en estas tres gráficas

presentó el mismo patrón que las gráficas anteriores. Volviendo a presentarse mejores

rendimientos a 75 ºC y con 1 Mol/L de concentración de etanol.

68

Figura 3.9. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2mL/min y1 Mol/L de etanol.

Figura 3.10. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2 mL/min y 2 Mol/L de etanol.

69

Figura 3.11. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 2mL/min y 3 Mol/L de etanol.

En las siguientes tres figuras (3.12, 3.13 y 3.14), se muestra la variación del Voltaje y de

la Intensidad de corriente de la celda a 25, 45 y 75ºC, con un flujo de etanol de 5 mL/min y

con concentraciones de etanol de: 1 Mol/L (figura 3.12), 2 Mol/Litro (figura 3.13) y 3

Mol/Litro (figura 3.14).

Figura 3.12. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5 mL/min y 1 Mol/L de etanol.

70

Figura 3.13. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5 mL/min y 2 Mol/litro de etanol.

Figura 3.14. Comportamiento de la celda a 25, 45 y 75ºC, con 5mL/min y 3 Mol/litro de etanol.

Finalmente, como se observa en las figuras 3.12, 3.13 y 3.14, los resultados utilizando un

flujo de 5 mL/min presentaron el mismo efecto causado por la temperatura y la

71

concentración. Esto es, que los mayores rendimientos energéticos se obtuvieron a 75ºC

con concentración de etanol de 1 Mol/L.

Uno de los factores más importantes que afectan el desempeño de la celda es la

Temperatura. El hecho de que la temperatura más alta utilizada en este trabajo (75ºC)

haya generado mejor rendimiento energético, no es extraño, debido a que un aumento en

la temperatura, disminuye la viscosidad del agua y permite que el etanol se disocie más

rápidamente, conduciendo más electricidad. La razón de esto es que al operar a

temperaturas altas se mejora la transferencia de masas dentro de la celda y resulta en

una disminución de la resistencia de la celda, como la temperatura se incrementa,

entonces la conductividad electrónica en los metales disminuye, pero la conductividad

iónica en el electrolito aumenta. Todos estos efectos antes mencionados en general

mejoran la velocidad de reacción. Es importante mencionar que en celdas con soluciones

acuosas, como la que se utilizó en este trabajo, es vital mantener la temperatura por

debajo del punto de ebullición del agua (100ºC a presión de 1 atmósfera) para no

provocar daño a la celda de combustible y evitar que el vapor de agua afecte y disminuya

el desempeño de la celda.

Por otro lado, en el análisis del comportamiento del Voltaje y Potencia con

concentraciones de etanol de 1, 2 y 3 Mol/Litro, que se presentó en las gráficas

anteriores, se observó claramente que existe una dependencia indirecta entre el

rendimiento energético de la celda con la concentración del combustible etanol. Es decir,

que la concentración molar de etanol más baja establecida para este estudio resultó ser la

que más favorece el rendimiento energético. Esto se debe a que en concentraciones

demasiado altas de etanol (mayores a 1 Mol/Litro) provoca que éste se vea forzado a

oxidarse en el cátodo de la celda, provocando una disminución en el rendimiento de la

celda. Sin embargo, en experimentos realizados en otros trabajos con concentraciones de

0.25, 0.5 y 1 Mol/L indican que la corriente es proporcional a la concentración del etanol

[15]. Por lo cual, se recomienda utilizar en trabajos posteriores, concentraciones de etanol

< 1 Mol/Litro.

Sin embargo, con las gráficas presentadas anteriormente no es posible realizar un análisis

claro del efecto que tuvo la velocidad del flujo de la solución de etanol en la celda

72

utilizada. Por lo cual, se graficaron los resultados nuevamente, pero considerando ahora

las velocidades de flujo.

3.4 Efecto de la velocidad de flujo

En las figuras siguientes se muestran las curvas de comportamiento de voltaje contra

intensidad de corriente y de Potencia contra Intensidad de Corriente, realizadas a

diferentes velocidades de flujo de Etanol. Las curvas halladas son típicas del

comportamiento de una celda de combustible; pero el mejor resultado de potencia a 25º

C fue de 0.56 + 0.5 mW/cm2 y se obtuvo con el flujo de 1 mL/min y concentración de

etanol 1 Mol/Litro (ver figura 3.15).

Figura 3.15. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5 mL/min con temperatura

constante de 25ºC y concentración de etanol de 1 M/L.

En todas estas gráficas, donde se analizaron las diferentes velocidades de flujo en la

alimentación del etanol, se observó que se logra el mejor desempeño con el flujo de

alimentación de etanol en su nivel bajo (1mL/min). Además, hay que resaltar que en todas

las gráficas se observó que a flujo medio (2mL/min) y alto (5mL/min) el desempeño de la

celda disminuye. Lo cual puede suceder porque al disminuir el flujo, el cátodo también

disminuye su resistencia a la transferencia de masas de las especies que reaccionan. Por

73

lo tanto, se deduce que en la operación de las celdas de combustible de etanol directo, los

flujos de alimentación deben ser bajos para lograr un mejor desempeño.

Figura 3.16. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 25ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L.

Figura 3.17. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 25ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L.

74

La potencia óptima se calcula con el punto donde se intersecan las curvas de Voltaje

contra Intensidad de Corriente con las curvas de potencia contra Intensidad. Es por esto

que se concluye que a 25ºC, el valor más elevado de potencia es el que se obtiene con la

gráfica de la figura 3.15. Sin embargo en la figura 3.18 se observa que la misma

combinación de flujo y molaridad de etanol (1mL/min y 1Mol/L) presenta un valor de

potencia optima a 45ºC de 1.01+ 0.2 mW/cm2 que es mucho mayor que a 25ºC. Esto se

debe a que el incremento de la temperatura favorece el rendimiento energético.

Figura 3.18. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 45ºC y concentración de etanol de 1 Mol/L.

75

Figura 3.19. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 45ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L.

Figura 3.20. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 45ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L.

Las figuras 3.21, 3.22 y 3.23 muestran el comportamiento del voltaje contra la Intensidad

de corriente a diferentes velocidades de flujo de etanol a 75ºC. Además, en la figura 3.21

76

se puede observar que a 75ºC, con un flujo de 1 mL/min y una concentración de etanol de

1 Mol/Litro, la potencia resultó mucho mayor (1.58 + 0.2 mW/cm2) que a 25 y a 45ºC. Por

lo cual, se puede afirmar que efectivamente, con el incremento de la temperatura y con

flujos y concentraciones bajas se logran los mayores rendimientos energéticos de la celda

y por lo tanto el mejor desempeño.

Figura 3.21. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 75ºC y concentración de etanol de 1 Mol/L.

77

Figura 3.22. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5mL/min con temperatura

constante de 75ºC y concentración de etanol de 2 Mol/L.

Figura 3.23. Comportamiento de la celda a velocidades de flujo de 1, 2 y 5 mL/min con temperatura

constante de 75ºC y concentración de etanol de 3 Mol/L.

78

3.5 Análisis de superficie de respuesta

En la Tabla 3.1 se presentan los valores promedio obtenidos para el Rendimiento

energético de la celda expresados en unidades de densidad de potencia (mW/cm2). Estos

resultados se analizaron en el programa “Statgraphics Centurion”, para obtener modelos

matemáticos de primer orden y las interacciones binarias de las tres variables

independientes, y poder determinar la Potencia óptima y sugerir una optimización de

acuerdo a la superficie de respuesta.

Tabla 3.1 Resultados promedios y desviación estándar del rendimiento energético de la celda.

Experimento Temperatura (ºC)

Flujo (mL/min)

Concentración (Mol/Litro)

Rendimiento + D.S (mW/cm2)

1 75 5 1 1.46 + 0.3

2 45 5 1 0.99 + 0.1

3 25 5 1 0.48 + 0.1

4 75 2 1 1.50 + 0.5

5 45 2 1 1.06 + 0.1

6 25 2 1 0.51 + 0.1

7 75 1 1 1.58 + 0.2

8 45 1 1 1.01 + 0.2

9 25 1 1 0.56 + 0.5

10 75 5 3 0.76 + 0.1

11 45 5 3 0.55 + 0.5

12 25 5 3 0.37 + 0.1

13 75 2 3 0.67 + 0.5

14 45 2 3 0.59 + 0.4

15 25 2 3 0.35 + 0.5

16 75 1 3 0.70 + 0.5

17 45 1 3 0.58 + 0.4

18 25 1 3 0.27 + 0.3

19 75 5 2 1.12 + 0.5

20 45 5 2 0.70 + 0.2

21 25 5 2 0.23 + 0.2

22 75 2 2 1.13 + 0.5

23 45 2 2 0.73 + 0.5

24 25 2 2 0.23 + 0.1

25 75 1 2 1.22 + 0.5

26 45 1 2 0.74 + 0.2

27 25 1 2 0.23+ 0.0

El resultado de la varianza (R2) fue de 98.188%, por lo cual desde el punto de vista

estadístico se puede decir que el modelo así ajustado explica el 98.188% de la

79

variabilidad de la potencia con un nivel de confianza del 95% (p < 0.05) para todos los

niveles de los tres factores evaluados.

Las superficies de respuesta se representan en gráficos tridimensionales, mostrando el

efecto de dos variables independientes sobre la Potencia y manteniendo constante en el

nivel intermedio (0) de la tercera variable. Y cada nivel está representado por un número

de acuerdo a la siguiente tabla.

Tabla 3.2 Asignación numérica de los niveles para Graficas de Superficie de Respuesta.

Niveles

Factores

Bajo (-1)

Medio (0)

Alto (+1)

Temperatura de la

celda

25ºC 45ºC 75ºC

Concentración de

Etanol

1Mol/Litro 2 Mol/Litro 3 Mol/Litro

Velocidad del Flujo de

etanol 1 mL/min 2 mL/min 5 mL/min

En las figuras 3.24 y 3.25 se observa que con una velocidad de flujo en el nivel más bajo

(1mL/min) y concentración baja (1 Mol/L) se obtienen los valores más altos de potencia.

Así mismo, se observa en la figura 3.26 que la Potencia máxima se obtiene con valores

de flujo bajos (1 mL/min), pero temperatura alta (75ºC). Por lo cual, si se desea obtener el

valor óptimo de Potencia (1.6 mW/cm2), las condiciones deben ser 75ºC, 1 mL/min de

Flujo y una concentración de 1Mol/Litro. Lo cual confirma los resultados obtenidos en el

análisis de las gráficas de las pruebas de desempeño.

80

Figura 3.24. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la variación de Flujo y

Concentración de etanol a temperatura de 45ºC.

Superficie de Respuesta EstimadaTemperatura=0.0

-10

1Flujo

-1

0

1

Concentracion

0.54

0.64

0.74

0.84

0.94

1.04

1.14

Po

ten

cia

Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

Temperatura=0.0

-1 -0.6 -0.2 0.2 0.6 1

Flujo

-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

Concentr

acio

n

Potencia

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Temperatura constante a 45ºC

Temperatura constante a 45ºC

3 Mol/L

2 Mol/L

1 Mol/L CONCENTRACIÓN

DE ETANOL

1mL/min 2 mL/min 5 mL/min

FLUJO

1mL/min 2mL/min 5mL/min

3 M/L

2 M/L

1 M/L

81

Figura 3.25. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la variación de

Temperatura y Concentración de etanol a una velocidad de flujo de 2 mL/min.

Superficie de Respuesta EstimadaFlujo=0.0

-10

1

Temperatura

-1

0

1

Concentracion

0.2

0.7

1.2

1.7

2.2

Po

ten

cia

Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

Flujo=0.0

-1 -0.6 -0.2 0.2 0.6 1

Temperatura

-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

Concentr

acio

n

Potencia

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Velocidad de flujo constante a 2 mL/min

Velocidad de flujo constante a 2 mL/min

3 Mol/L

2 Mol/L

1 Mol/L CONCENTRACIÓN

DE ETANOL

25ºC 45ºC 75ºC

TEMPERATURA

25ºC 45ºC 75ºC

3 M/L

2 M/L

1 M/L

82

Figura 3.26. Superficie y contornos de respuesta para la Potencia en función de la variación de

Temperatura y velocidad de flujo a una concentración de 2 Mol/Litro.

Superficie de Respuesta Estimada

Concentracion=0.0

-10

1

Temperatura

-1

0

1

Flujo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Po

ten

cia

Contornos de la Superficie de Respuesta Estimada

Concentracion=0.0

-1 -0.6 -0.2 0.2 0.6 1

Temperatura

-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

Flu

jo

Potencia

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Concentración constante de Etanol a 2 Mol/Litro

Concentración constante de Etanol a 2 Mol/Litro.

25ºC 45ºC

75ºC

5mL/min

2mL/min

1mL/min

25ºC 45ºC 75ºC

5mL/min

2 mL/min

1 mL/min

83

Conclusiones

Las celdas de combustible han demostrado tener un alto potencial para ser empleadas en

el ámbito energético. Y se puede apreciar que aún existen muchos desafíos de desarrollo

tecnológico en los siguientes temas:

Temperatura: Basándose en las gráficas obtenidas y en el análisis de superficie de

respuesta, es evidente que la temperatura juega un papel muy importante en el

desempeño de la celda, por lo que se debe realizar investigación en materiales aptos para

operar a altas temperaturas o bien que sean resistentes a cambios bruscos de

temperatura de operación, lo cual ayudará a incrementar el tiempo de vida útil de la celda.

Impurezas: Se requiere desarrollar materiales capaces de operar con niveles de

impureza en los combustibles (H2, aire, etanol, etc.), sin afectar en forma significativa el

funcionamiento y la vida útil de la celda.

Concentración y flujo del combustible: Durante las pruebas se pudo apreciar que a

mayor flujo y concentración del combustible, se abatía notablemente la eficiencia de la

celda, lo cual es atribuible principalmente al crossover.

Mediante el análisis de superficie de respuesta se encontró una combinación óptima de

temperatura, concentración y velocidad de flujo que permitió obtener un mejor rendimiento

energético, utilizando un flujo de 1 mL/min, una concentración de 1 Mol/L y una

temperatura de 75 ºC. Siendo este de 1.58 + 0.2 mW/cm2.

Para mejorar aún más el rendimiento energético (Potencia) se debe mantener o aumentar

la temperatura, y disminuir más los valores de concentración y flujo a los que se

estudiaron en este trabajo.

Sistema de control: El software Labview y los respectivos drivers de la tarjeta de

adquisición de datos no son eficientes para montar un control en tiempo real debido a que

no permiten realizar multitareas (hilos de ejecución en paralelo). Esto se ve reflejado en

un retardo de 1 a 2 segundos en el control digital de algunos componentes electrónicos

(actuadores y sensores). Consumo instantáneo promedio del sistema sin calentamiento

84

(sólo monitoreo) 0.015 Amps (1.62 Watts), consumo instantáneo promedio del sistema

empleando los calentadores (control de temp) 110.16 watts.

Trabajo por realizar

1. Sustituir el sistema DAQ NI-6008, por un modelo con mayor rapidez para reducir los

tiempos de ejecución de las rutinas programadas, este cambio también ayudará a

hacer más simples las rutinas, logrando realizar más tareas en menos tiempo.

2. Para solucionar el problema de retardo en la respuesta del sistema de monitoreo y

control, es necesario diseñar un sistema capaz de realizar múltiples tareas ya sea

empleando micro controladores que permitan ser programados según las necesidades

específicas de las celdas de combustibles; y que aseguren un óptimo desempeño del

sistema de monitoreo y control.

3. Como se observa en las gráficas el comportamiento energético de la celda bajo carga

es inestable (curva característica), se recomienda utilizar un convertidor DC/DC para

estabilizar el voltaje entregado a la carga.

4. Implementar el sistema de control automático que puedan reducir o incrementar la

presión y la humedad relativa de los gases, la temperatura y el flujo del combustible,

según las necesidades de la celda sometida a una carga eléctrica.

5. Se sugiere continuar investigando los efectos en la celda con niveles de temperatura

entre 75 y 90ºC; concentraciones entre 0.1 mol/L y 0.9 mol/L; y velocidades de flujo

entre 0.1 mL/min y 0.9 mL/min.

85

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] J. Larminie y A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained (Second Edition), England: Wiley, 2003.

[2] EG&G Technical Services, Inc., Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), Morgantown, West

Virginia: Parson Inc, 2004.

[3] L. A. Riascos, M. G. Simoes y P. E. Miyagi, «CONTROLLING PEM FUEL CELLS APPLYING A

CONSTANT HUMIDITY TECHNIQUE,» ABCM Symposium Series in Mechatronics, pp. Vol. 3 -

pp.774-783, 2008.

[4] X. Dong Wang, Y. Yuan Duan, W. Mon Yan y F. Bor Weng, «Effect of humidity of reactants on

the cell performance of PEM fuel cells with parallel and interdigitated flow field designs,»

ScienceDirect, pp. 247-258, 2008.

[5] U. Cano, Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y

eficiente vía electroquímica, 1999.

[6] S. M. Rakhtala, T. Fadaiian, R. Ghaderi, A. Ranjbar y M. Shakeri, «Temperature control system

for PEM Fuel cell,» Fuel cell research technology Group Babol University of Technology.

[7] R. T. Meyer y B. Yao, «CONTROL OF A PEM FUEL CELL COOLING SYSTEM,» ASME International

Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2006.

[8] A. P. Vega-Leal, F. R. Palomo, F. Barragán, C. García y J. J. Brey, «Design of control systems for

portable PEM fuel cells,» Journal of Power Sources 169, p. 194–197, 2007.

[9] O. Zerbinati, C. Campisi y F. Guglielmino, «Control Unit for Fuel Cells for Portable

Applications,» WHEC 16 / 13-16 June 2006 – Lyon France.

[10] R. C. Donca, R. Balan, V. Maties y O. HANCU, Control method for the improvement of the

efficiency of a fuel cell.

[11] R. Gopinath, S. Kim y J.-H. Hahn, «Development of a Low Cost Fuel Cell Inverter System With

DSP Control,» IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 19, NO. 5, SEPTEMBER

2004, 2004.

[12] W. J. Pech Rodriguez, DESARROLLO DE UNA CELDA DE ETANOL DIRECTO (DEFC), Merida,

Yucatan: CICY, 2011.

86

[13] National Instruments, «NI 6008,» [En línea]. Available:

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/14604. [Último acceso: 25 Noviembre 2008].

[14] Honeywell, «Humidity Sensors,» Marzo 2008. [En línea]. [Último acceso: 12 Febrero 2010].

[15] Bernal y Jiménez, «Evaluación de una celda de combustible utilizando etanol, con miras a

Determinar la flexibilidad de las celdas y el uso eficiente de recursos Energéticos,» Revista

Educación en Ingeniería., pp. 20-28, 2008.

[16] National Semiconductor, «Datasheets Catalog,» [En línea]. Available:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS005516.PDF. [Último

acceso: 19 Abril 2009].

[17] Z. Bubnicki, Modern Control Theory, Poland: Springer, 2005.

[18] Fuel Cells Norway ANS, «FUEL CELLS,» [En línea]. Available:

http://www.fuelcell.no/fuel_cell_types_mainpage_es.htm. [Último acceso: 25 Noviembre

2008].

[19] I. D. Landau y G. Zito, Digital Control Systems, London: Springer, 2006.

[20] K. J. Astrom y B. Wittenmark, Computer Controlled Systems, Mainland, China: Prentice Hall,

1997.

a

APÉNDICE A

En este apéndice se presenta la información relacionada con los circuitos empleados en

este trabajo como son hojas de datos, diagramas, así como listado de componentes de

las placas del prototipo.

Tabla A.1. Componentes de la fuente de poder

Cantidad Componente

1 Transformador 120 vac – 12 vac

2 Puente de diodo 3 Amp

2 Capacitor electrolítico de 47,000 µF

4 Resistencias de 1 kΩ

2 LED emisor de luz

2 Terminales bipolares

1 Regulador de corriente directa 7805

1 Regulador de corriente directa 7812

b

Tabla A.2. Componentes de la placa de control

Cantidad Componente

2 Opto acoplador de potencia MOC3031

2 Opto acoplador 4N32

1 Transceptor octal de bus

1 Puente controlador L298

2 Multiplexores CD4051BE

1 Motor a pasos de 12 volts

2 Ventiladores de 12 volts

8 Diodos rectificadores 1N4148

1 Amplificador operacional LMC6981

10 Resistencias de 1 kΩ

2 Resistencias de 180 Ω

1 Resistencia de 22 kΩ

1 Resistencia de 0.01 Ω

1 Sensor de humedad HIH-4030

3 Sensores de temperatura LM35

2 Sensores de presión MPX5700DP

2 Resistencia calefactora de 150 watts

c

Hojas de datos de datos de componentes electrónicos

Figura A.1. Página 1 de la hoja de datos del multiplexor 4051B, 4052B y 4053B.

d

Figura A.2. Página 2 de la hoja de datos del multiplexor 4051B, 4052B y 4053B.

e

Figura A.3. Página 3 de la hoja de datos del multiplexor 4051B, 4052B y 4053B.

f

Figura A.4. Página 1 de la hoja de datos de la resistencia de medición de corriente.

g

Figura A.5. Página 1 de la hoja de datos del sensor de temperatura LM35.

Figura A.6. Página 2 de la hoja de datos del sensor de temperatura LM35.

h

Figura A.7. Página 1 de la hoja de datos del sensor de humedad HIH-4030.

i

Figura A.7. Página 2 de la hoja de datos del sensor de humedad HIH-4030.

j

Figura A.8. Página 1 de la hoja de datos del sensor de presión MPX5700DP.

k

Figura A.9. Página 2 de la hoja de datos del sensor de presión MPX5700DP.

l

Figura A.10. Página 1 de la hoja de datos del circuito de potencia del sistema de bombeo.

m

Figura A.11. Página 2 de la hoja de datos del circuito de potencia del sistema de bombeo.

n

APÉNDICE B

En este apéndice se presentan algunas pantallas tomadas durante las pruebas realizadas

a la celda de combustible.

Figura B.1. Comportamiento de la celda a 1M/L, 1mL/min a 25 ºC.

Figura B.2. Comportamiento de la celda a 1M/L, 1mL/min a 45 ºC.

o

Figura B.3. Comportamiento de la celda a 2M/L, 2mL/min a 75 ºC.

Figura B.4. Comportamiento de la celda a 2M/L, 5mL/min a 75 ºC.

p

Figura B.5. Comportamiento de la celda a 1M/L, 1mL/min a 75 ºC.

Figura B.6. Comportamiento de la celda a 3M/L, 5mL/min a 25 ºC.