Manufacture and characterization of a micro fuel-cell

Abstract

Hoje em dia, os equipamentos eletrónicos alimentados a bateria estão prestes a alcançar um ponto decisivo. Com o consumo energético dos componentes eletrónicos a seguir uma tendência decrescente e as baterias a aumentarem as suas capacidades, torna-se necessário procurar tecnologias alternativas para continuar a evoluir. As células de combustível são consideradas o próximo grande passo em termos de energia devido às suas várias vantagens, como a sua eficiência e a sua reduzida pegada ambiental. Com células de combustível é possível alcançar altas densidades energéticas mantendo uma elevada eficiência e um peso reduzido, algo essencial para pequenos equipamentos eletrónicos. No entanto, os elevados custos ainda impedem as células de combustível de se imporem nos vários mercados, desde dispositivos eletrónicos a sistemas de transporte. Esta dissertação pretende estudar a possibilidade de adaptar uma célula de combustível com membrana de troca iónica para a mais económica célula de combustível de metanol direto, assim como os vários circuitos auxiliares necessários para obter melhor desempenho na célula. A célula utilizada foi uma Horizon Mini PEM fuel cell. Estes circuitos são o sistema de abastecimento de combustível, que possibilita o correto fornecimento de combustível à célula, um sistema de gestão de energia, de forma a permitir a célula fornecer uma tensão de saída adequada para uso, e um sistema de controlo, para efetuar a gestão de todos os sistemas referidos anteriormente. Foram realizados vários testes, incluindo testes na célula, para tentar melhorar as suas capacidades. O sistema de abastecimento de combustível foi criado recorrendo a uma microbomba para fornecer o combustível e um conversor step-up para alimentá-la. Várias simulações foram realizadas numa primeira fase, com a implementação a ser efetuada em breadboard. O sistema de gestão de energia foi criado usando um conversor step-up da Linear Technology e componentes auxiliares, de forma a fornecer uma tensão de saída viável na célula, tendo sido implementado em circuito impresso. O sistema de controlo que deveria ter sido produzido tinha por base a plataforma Arduino e o microcontrolador Atmel ATMega 328.

Nowadays, battery powered electronic devices are reaching a decisive point. With components energy consumption following a decrease tendency and batteries steadily improving their capacities, it is now necessary to look for other technologies to keep evolving. Fuel cells are considered the next big evolution for energy due to their great advantages, like efficiency and low environment impact. With fuel cells, it is possible to achieve high power density while keeping high efficiency and maintaining a low weight, which are key features to small electronic equipment. However, high prices are still keeping fuel cells from a breakthrough in all kinds of uses, from electronics to transport systems. This dissertation intends to study the possibility of adapting an existing proton exchange membrane fuel cell to the cheaper to use direct methanol fuel cell, as creating several auxiliary circuits that are essential to a better performance of the fuel cell. The used fuel cell was a Horizon Mini PEM fuel cell. These circuits are a fuel supply system, for a correct fuel supply to the cell, a power management system, to enable the cell to have an adequate voltage for external usage, and a microcontroller system, to control all the previously referred systems. Several tests were done, including performance tests for the fuel cell, to try to improve its capabilities. The fuel supply system was created using a micropump to provide fuel and a stepup converter to power it. Various simulations were made initially, and the first implementation was made on a breadboard. The power management system was created using an existing Linear Technology step-up and auxiliary components, to provide an eligible output voltage for the cell, being implemented on a printed circuit board. The control system was not produced, but was intended to using as basis the Arduino platform and the Atmel ATMega 328 microcontroller.