En las notas de aplicación anteriores, se demostró que las pilas de combustible son fuentes de energía prometedoras, ya que ofrecen una solución altamente eficiente y respetuosa con el medio ambiente para la energía alternativa. En los últimos años se están realizando considerables investigaciones para proporcionar una mejor comprensión de los factores que afectan el rendimiento de una celda de combustible.
En esta nota de aplicación se demostrará el uso de la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para la caracterización del combustible PEM. Se demostrará que EIS es una poderosa herramienta de diagnóstico para la determinación de los siguientes factores que pueden influir en el desempeño de una celda de combustible PEM:
- Composición y estructura del electrodo.
- Características de la membrana
- Parámetros operativos como temperatura de la celda, humidificación, composición del gas y presión
La principal ventaja de EIS como herramienta de diagnóstico es su capacidad para resolver en el dominio de la frecuencia las contribuciones individuales de los diversos factores que determinan las pérdidas de potencia globales de la pila de combustible PEM:
- Cinético
- óhmico
- Transporte masivo
Los experimentos se realizaron en la estación de prueba de celdas de combustible del grupo de Electroquímica del Departamento de Química de la Universidad North Eastern en Boston, EE. UU.
Los experimentos se realizaron utilizando un AUTOLAB PGSTAT302N controlado por el software NOVA. El EIA las mediciones se realizaron utilizando el módulo FRA32 controlado por el software NOVA. La unidad de refuerzo de corriente de 10 A se utilizó como carga.
La celda de combustible utilizada para los experimentos fue una sola celda con una superficie geométrica de 5 cm2 que comprende una membrana electrolítica de polímero Nafion. Los electrodos consistían en una capa de catalizador de película delgada. Los electrodos se suministraron con hidrógeno puro o hidrógeno con una pequeña cantidad de CO en el ánodo y con hidrógeno (para mediciones de referencia), aire u oxígeno en el cátodo.
Los experimentos EIS se realizaron bajo control potenciostático. Para la celda con hidrógeno en el cátodo, los experimentos EIS se realizaron en OCP (0,0 V). Para los experimentos con aire y oxígeno, los experimentos se realizaron al potencial aplicado de 0,8 V, 0,6 V y 0,4 V. Se utilizó un rango de frecuencia de 10 kHz – 0,01 Hz. La amplitud de la perturbación de CA se fijó en 10 mV.
En Figura 1 los resultados del experimento EIS con H2 en el cátodo se comparan con los que tienen O2 y aire en el cátodo.
Cuando solo hay hidrógeno tanto en el lado del ánodo como del cátodo del electrodo, no se produce una reacción de reducción en el cátodo y se miden las pérdidas óhmicas a través de la membrana. Cuando el hidrógeno se reemplaza por oxígeno en el cátodo, se produce la reducción de oxígeno en el cátodo. Por lo tanto, se puede medir la resistencia a la transferencia de carga de la reacción de reducción. Cuando el oxígeno se reemplaza por aire en el cátodo, se puede ver el efecto del transporte de masa. El oxígeno tiene que difundirse a través del nitrógeno presente en el aire para llegar a la superficie del cátodo, lo que da como resultado un aumento en la resistencia a la polarización debido a la resistencia a la difusión, como se ve en Figura 1.
En Figura 2 se aprecia el efecto del envenenamiento del catalizador por CO. Con la introducción de CO en el aire en el lado del ánodo aumenta la resistencia a la transferencia de carga para la oxidación del hidrógeno debido al envenenamiento del catalizador.
Con la introducción de CO en el aire en el lado del ánodo aumenta la resistencia a la transferencia de carga para la oxidación del hidrógeno debido al envenenamiento del catalizador.
- METRO. Ciureanu, R. Roberge, J. física química B, 2001, 105, 3531-3539
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