Diseño, caracterización y modelado de una pila de combustible

Abstract

El objetivo fundamental de la tesis es el diseño y desarrollo de pilas de combustible de bajo coste y peso, y altas potencias específicas mediante la utilización de láminas metálicas corrugadas, y la posterior caracterización de estas pilas (incluyendo las automatizaciones que se estimen convenientes). Se han diseñado, ensamblado y analizado dos estructuras de monocelda, denominadas tipo 1 y tipo 2, y dos de pila de combustible. El comportamiento eléctrico de los prototipos de monocelda diseñados, se ha analizado utilizando las técnicas de curvas de polarización y de espectroscopia de impedancia compleja. Los espectros de impedancia compleja, obtenidos experimentalmente, se han modelado mediante circuitos equivalentes, en cuya optimización de parámetros se han utilizado algoritmos genéticos. Tanto esta técnica como sus resultados constituyen uno de los puntos más relevantes del trabajo realizado. Se han automatizado los procesos de visualización, control y registro de las variables de estado de las pilas de combustible, y los de proyección de catalizador para la obtención de electrodos. Para ello se han diseñado y realizado dos sistemas automáticos de control: - Sistemas de medición y control de gases para pilas de combustible o estación de ensayos (en trámite de patente). Permite la adquisición, control y registro de una amplia gama de variables de operación de las pilas de combustible: caudal, humedad y presión de ambos gases, temperatura de la pila y carga conmutada. - Sistema de control de trayectorias, X-Y, para la deposición automática de catalizador. El resultado final son los electrodos que se emplean en las pilas de combustible. Una vez automatizados y diseñados los sistemas de control de dos de los procesos más relevantes en el ensamblaje y control de estado de las pilas, se proponen tres nuevos algoritmos para el modelado de las pilas de combustible: ¿ Algoritmos genéticos para la búsqueda de los parámetros del circuito equivalente que modela la pila, a partir del espectro de impedancia compleja obtenido experimentalmente. ¿ Filtro de Kalman para la determinación de los parámetros del circuito equivalente, por la reducción de tiempo que implica respecto a los métodos clásicos de barrido en frecuencia. ¿ Modelo empírico exponencial para las curvas de polarización que mejora en determinadas condiciones el propuesto por Butler-Volmer. Se propone un modelo eléctrico simplificado que explica el comportamiento fluídico de diferentes pilas, tanto de diseño propio como convencionales, que responde adecuadamente ante diferentes tipologías de las placas de las pilas ensayadas. El modelo eléctrico se valida experimentalmente mediante técnicas de análisis y proceso de imagen.