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Santiago de Querétaro, Qro. México, febrero del 2019.
CENTRO DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLÓGICO EN ELECTROQUÍMICA, S.C.
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE GESTION DE ENERGIA ACOPLADO A UN ARREGLO DE CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS
Tesis
QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE
Maestro en Ciencia y Tecnología
en la Especialidad de Ingeniería Ambiental
PRESENTA
Manuel Alejandro Garita Meza
Este trabajo fue realizado en el Centro de Investigación y
Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C. (CIDETEQ) bajo
la dirección de:
Dra. Bibiana Cercado Quezada
Resumen
Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son dispositivos bioelectroquímicos que
realizan simultáneamente la generación de energía eléctrica y la remoción de agentes
contaminantes mediante de la interacción de microorganismos electroactivos. Por tal motivo,
esta tecnología es una opción viable para disminuir los efectos negativos del cambio climático
causado por los métodos convencionales de generación de energía.
En las últimas décadas, las CCMs han sido un tema de investigación de gran relevancia, así
como se demuestra en el creciente número de publicaciones científicas. Recientemente, en
estas publicaciones se ha descubierto que al desarrollar arreglos de celdas se genera mayor
cantidad de energía que al aumentar las dimensiones de las mismas, lo que permite evaluar
diferentes métodos de recuperación para darle una aplicación práctica a la energía generada.
Los arreglos de CCMs se han evaluado en diferentes aplicaciones prácticas tal como energizar
biosensores o microcontroladores, los cuales operan con voltajes en el orden de microvolts.
Sin embargo, es posible escalar las aplicaciones prácticas de los arreglos de CCMs acoplando
circuitos electrónicos de tipo DC-DC y dispositivos de almacenamiento de energía para
recuperar y almacenar la energía proveniente de dichas celdas, a este acoplamiento se le llama
sistema de gestión de energía (SGE).
En este documento se encuentra el desarrollo de 6 diferentes SGE donde se acopla un arreglo
de CCMs con circuitos electrónicos de tipo DC-DC (flyback, oscilador de bloqueo y booster)
y almacenadores de energía (supercapacitores y batería recargable) para seleccionar el
acoplamiento de mayor eficiencia, es decir mayor recuperación de energía, y almacenamiento
de energía.
Adicionalmente, se presenta el diseño, construcción y caracterización de una CCM con
diferente posición de electrodos la cual fue utilizada para desarrollar y caracterizar tres
diferentes tipos de arreglos de CCMs (serie, paralelo y mixto) y seleccionar el de mayor
eficiencia y generación de voltaje.
También se realizó la caracterización de los circuitos electrónicos y los dispositivos de
almacenamiento acoplados a estos SGE con técnicas electroquímicas como espectroscopia de
impedancia electroquímica, cronoamperometría o cronopotenciometría entre otras. Estas
caracterizaciones se aplicaron con el objetivo de conocer su resistencia total, ya que la
eficiencia de recuperación de energía eléctrica proveniente de los arreglos de CCMs depende
de este parámetro.
Aunado a lo anterior, se encuentra un método para aumentar la eficiencia de recuperación de
energía de los SGE modificando las características técnicas de los circuitos electrónicos, en el
caso del oscilador de bloqueo se aumentó el número de espiras en el transformador y con
respecto al flyback se disminuyó la resistencia total cambiando el diodo por un resistor.
Es decir, esta investigación aporta una propuesta para la obtención y aprovechamiento
eficiente de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables de energía tal como las CCMs,
de esta forma, es posible disminuir la contaminación ambiental provocada por la generación
de energía eléctrica con métodos convencionales.
Abstract
Microbial fuel cells (MFCs) are bioelectrochemical devices that perform both generation of
electrical energy and removal of pollutants by electroactive microorganisms. For this reason,
this technology is a viable option to reduce the negative effects of climate change caused by
conventional methods of generating energy.
In recent decades, the interest in MFCs has increased as is demonstrated by the growing
number of scientific publications on this subject. Recently, the effectiveness in energy
production has been proved for MFC stacks instead of increasing the volume of individual
MFCs. This strategy allows to evaluate different energy recovery methods to give a practical
application to the generated bioenergy.
The MFC stacks have been evaluated in different practical applications such as energizing
biosensors or microcontrollers, which operate with voltages in the order of microvolts.
However, it is possible to scale the practical applications of the MFCs by coupling DC-DC
electronic circuits and energy storage devices to recover and store the energy from MFCs; this
type of coupling is called power management system (PMS).
In this document is showed the development of 6 different PMS, MFC stacks are coupled with
DC-DC electronic circuits (flyback, blocking oscillator and booster) and energy storage
devices (supercapacitor and rechargeable battery) to select the PMS resulting in the highest
efficiency (which means to harvest more energy from the MFCs array) and energy storage.
In addition to the couplings, there is the design, construction and characterization of a MFC
with different electrode position which was used to develop the MFCs array (series, parallel
and mixed) coupled to the 6 different SGE.
There is also the characterization of electronic circuits and storage devices coupled to these
PMS was carried out using electrochemical techniques such as electrochemical impedance
spectroscopy, chronoamperometry or chronopotentiometry, among others. These
characterizations were applied in order to measure their total resistance, since the efficiency of
the MFCs depends of this parameter.
In addition to the above, it is also presented a method to increase the energy recovery
efficiency of the PMS by modifying the technical characteristics of the electronic circuits, in
the case of the blocking oscillator the number of windings in the transformer was increased
and with respect to the flyback the total resistance was reduced by changing the diode for a
resistor.
This means, this research provides a proposal to obtain and to harvest efficient of electrical
energy from renewable sources of energy such as MFCs, in this way, it is possible to reduce
environmental pollution caused by the generation of electrical energy with conventional
methods.
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confidencial de acuerdo con el
Artículo 113 fracción II de la
Ley Federal de Transparencia y
Acceso a la Información Pública 2017,
y con el Artículo 116 de la Ley
General de Transparencia y Acceso a
la Información Pública 2015.
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11. Anexos
Tabla 24. Densidades de P y I de las celdas con diferente posición de electrodo (Fig 8.)
Celda Pmáx (µW) Imáx (mA) P (µW/m2) j (mA/m2)
Cat flotante 1 1.47 0.01 1,130 8 Cat flotante 2 1.21 0.02 930 15 Paralelos 1 0.21 0.002 161 1.5
Paralelos 2 0.03 23 0.001 0.76 Concéntricos 1 0.02 15 0.001 0.76
Concéntricos 2 0.21 161 0.02 1.5
Tabla 25. Densidades de P y I generadas por los arreglos de celdas (Fig 10.)
Fig. 47 Segunda CPL aplicada a los arreglos en serie paralelo y mixto
Fig. 48 Segunda CPT aplicada a los arreglos en serie, paralelo y mixto
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
V a
rre
glo
(m
V)
I arreglo (mA)
Serie
Paralelo
Mixto
0
1
2
3
4
5
6
7
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
P a
rre
glo
(µ
W)
I arreglo (mA)
Serie
Paralelo
Mixto
Arreglo Pmáx (µW) Imáx (mA) P (µW/m2) j (mA/m2)
Serie 10 0.02 1,282 2.56
Paralelo 5.8 0.02 743 2.56 Mixto 4.5 0.02 576 2.56
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Caracterización del transformador de 8 y 112 espiras.
Para obtener la inductancia del transformador de 8 espiras se aplicó la ec. 5.
𝐿 = 𝜇𝑁2 𝛿
𝑙= 1000
(82)(0.000098216)
0.021= 299 𝐻
ec. 5
Donde L = Coeficiente de auto inducción (H)
µ = Coeficiente de permeabilidad magnética (H/m) N2 = Número de espiras del transformador al cuadrado 𝜹 = Área transversal del núcleo (m2)
𝒍 = Longitud del conductor (m)
Posteriormente se aplicó la ec. 7 para conocer el voltaje de autoinducción de dicho
transformador de 8 espiras.
𝑒𝑎𝑢𝑡𝑜 = 𝐿(𝑚𝐻)∆𝐼(𝐴)
∆𝑡(𝑠𝑒𝑔)= (299) (
0.00002118
717120) = 8.84𝑥10−9 𝑉
ec. 7
Donde
L (H) = Inductancia del transformador en henrios ∆𝐼 = Corriente aplicada al transformador en amperes
∆𝑡 = Tiempo de aplicación de corriente en segundos
Y como se puede observar en la Tabla 26, la inductancia del transformador de 8 espiras fue de 299 mH y el voltaje de autoinducción fue de 8.84x10-9 V, así que para aumentar la inductancia
del transformador al menos a un 50% se aplicó la ec. 7 cambiando el número de espiras; y se obtuvo que al aumentar las espiras de dicho transformador 8 a 112, se aumentó la inductancia
a un 50%.
Tabla 26. Inductancia y voltaje auto inducido del
transformador de 8 y 112 espiras.
N l L (mH) eauto (v)
8 0.021 299.324952 8.8405E-09
24 0.504 112.246857 3.31519E-09
32 0.672 149.662476 4.42025E-09
48 1.008 224.493714 6.63038E-09
56 1.176 261.909333 7.73544E-09
72 1.512 336.740571 9.94557E-09
80 1.68 374.15619 1.10506E-08
96 2.016 448.987429 1.32608E-08
104 2.184 486.403048 1.43658E-08
112 2.352 523.818667 1.54709E-08
75
12. Productividad
Congreso internacional MicroEchem 2016 – Energy Storage Discussions
Congreso nacional SMEQ 2017
76
Publicacion en la revista “Sustainable energy technologies and
assessments”
12° Congreso Internacional de Ing. UAQ 2016 (1er lugar
concurso carteles)