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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la Información Pública 2015.

71

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73

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

74

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)