Ensayos en fatiga ultrasónica en la membrana de intercambio protónico Nafion 115, bajo la modalidad de flexión tres puntos

Abstract

Nowadays it is imperative to search alternative sources that help to reduce the usage of fossil fuels, which are the main source of energy in all around of the world. Among these alternative sources that are also the ones known as renewable: solar, wind, sea, hydraulics and fuel cells, just to name a few. Currently, Fuel cells physico-chemical characterization has been intensely studied, not so its mechanical properties, in particular fatigue resistance. In this work it will be carried out the study of the behavior in ultrasonic fatigue of the polymeric material Nafion 115, that is a proton exchange membrane, used in fuel cells. Using the method of modal numerical analysis, the geometric dimensions of the punch used to apply the ultrasonic load, which meet the resonance condition, were obtained: its natural oscillation frequency close to the excitation frequency (20 KHz). When making measurements on the fatigue strength of this element it is possible to predict its behavior in fatigue, under real conditions of use; Particularly when this element is subjected to oscillating mechanical loads during its industrial use Ultrasonic fatigue tests shall be performed on specimens of this material under natural environmental conditions. The research addressed as area of opportunity to investigate the fatigue strength of this polymer material used in fuel cells. With the knowledge of the fatigue resistance of this material, the design process in fuel cells can find improvements in the prevention of failures by mechanical loads and an adequate prevention of fatigue life of this element.

Actualmente es imperativo la búsqueda de fuentes alternas que disminuyan en gran medida el uso de combustibles fósiles, que son la principal fuente de energía en gran parte del mundo. Entre estas fuentes alternas que también se les conoce como renovables, se encuentran la solar, eólica, marítima, hidráulica y las celdas de combustibles, por mencionar las más importantes. Concerniente a las celdas de combustible, actualmente su caracterización físicoquímica ha sido intensamente estudiada; no así sus propiedades mecánicas, en particular la resistencia en fatiga. En este trabajo se llevó a cabo el estudio del comportamiento en fatiga ultrasónica del material polimérico Nafion 115, membrana de intercambio protónico, utilizadas en las celdas de combustible. Usando el método de análisis numérico modal se obtuvieron las dimensiones geométricas del punzón utilizado para aplicar la carga ultrasónica, que cumplen con la condición de resonancia: su frecuencia natural de oscilación próxima a la frecuencia de excitación (20 KHz). Al efectuar mediciones sobre la resistencia en fatiga de este elemento es posible prever su comportamiento en fatiga, bajo condiciones reales de uso; particularmente cuando este elemento es sometido a cargas mecánicas oscilantes durante su uso industrial. Se llevaron a cabo pruebas en fatiga ultrasónica mediante el método de flexión tres puntos a probetas del material expuestos al medio ambiente. Con la investigación se abordó un área de oportunidad para investigar la resistencia en fatiga de este material polímero utilizado en celdas de combustible. Con el conocimiento de la resistencia en fatiga de este material, el proceso de diseño en celdas de combustible puede encontrar mejoras en la prevención de fallas por cargas mecánicas y una adecuada prevención de vida en fatiga de este elemento.