3 DESCRIPCIÓN DE LAS MONOCELDAS

Transcripción

1 José Alfredo Iranzo Paricio Página 52 de DESCRIPCIÓN DE LAS MONOCELDAS 3.1. Geometría y características Las monoceldas se han adquirido a QuinTech, distribuidor en Europa de ElectroChem Inc., y se trata de un kit específico para investigación. El kit consta de dos tipos de placas bipolares (flujo paralelo y flujo serpentín de cinco canales. Las especificaciones técnicas generales suministradas por el fabricante del stack se muestran en la Tabla 2. Specifications Average cell Voltage: Current Density: Total Power: / V 350 +/- 50 ma/cm mw/cm2 Nominal power output: Dimensions: 13.5X13.5cm X13.5 cm 13.5X13.5cm X19 cm 13.5X13.5cm X35 cm Net weight: 4 kg (8.8 lbs.) 4.5 kg (10 lbs.) 6.4 kg (14 lbs.) Electrode Assembly: 50 cm2, 7 MEAs 50 cm2 14 MEAs 50cm2 28 MEAs Type: Humidification: Cooling: Solid Polymer Electrode Not 50W, 100W, 200W operation, Dependent on power density Not 50W, 100W, 200W operation, Dependent on power density (External fan recommended) Tabla 2. Especificaciones técnicas del stack de ElectroChem Inc.

2 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 53 de 110 Las monoceldas constan de una serie de elementos: placas bipolares, capas difusoras de gases (GDL), electrodos y membrana. Geometría de placas bipolares Se ha trabajado con dos tipos de placas bipolares: de flujo paralelo y de flujo en serpentín múltiple de 5 canales. Ambas placas bipolares son de ElectroChem Inc., USA, y están construidas en grafito (propiedades en Tabla 3). PROPIEDADES GRAFITO Propiedad Resistencia flexión Conductividad térmica Resistividad específica Valor psi 120 W/mK 10.8 µohm-m Densidad 1990 kg/m 3 Temperatura máxima 180º C Tabla 3. Propiedades del grafito de las placas bipolares originales de ElectroChem Inc. ElectroChem Inc. ha proporcionado planos acotados de las geometrías de placas bipolares. No todas las dimensiones están disponibles por lo que se ha procedido a abrir los stacks y realizar medidas in-situ con la colaboración del Centro Andaluz de Metrología (CAM) sito en la Escuela de Ingenieros de Sevilla. Las siguientes figuras (Figura 18, Figura 19) muestran reproducciones de los planos originales de las placas bipolares de flujo paralelo y flujo serpentín.

3 José Alfredo Iranzo Paricio Página 54 de 110 Figura 18. Planos correspondientes a la placa bipolar de flujo paralelo de ElectroChem Inc. (medidas en pulgadas)

4 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 55 de 110 Figura 19. Planos correspondientes a la placa bipolar de flujo serpentín de ElectroChem Inc. (medidas en pulgadas)

5 José Alfredo Iranzo Paricio Página 56 de 110 Ambas placas bipolares corresponden con un área activa de 49 cm 2. La placa bipolar con flujo en paralelo tiene 25 canales intermedios de 2.0 mm de anchura y 24 costillas de 0.8 mm de anchura. La placa bipolar con flujo en serpentín quíntuple de nueve pasos tiene canales de 0.78 mm de anchura y costillas de 0.78 mm de anchura. El espesor de las placas bipolares es de 9.5 mm. En la Tabla 4 se muestra el resumen de las características geométricas de las placas bipolares. Paralelo Serpentín Área activa 50 cm2 50 cm2 Anchura Placa Bipolar 9.5 mm 9.5 mm Anchura canales 2.0 mm 0.78 mm Anchura costillas 0.8 mm 0.78 mm Disposición flujo PB 25 canales quíntuple 9 pasos Disposición flujo celda cruzado cruzado Tabla 4. Características geométricas de las monoceldas ElectroChem: flujo paralelo y flujo serpentín. A partir de las hojas de especificaciones técnicas de ElectroChem Inc. los espesores de las diferentes capas de la celda son: -Anchura GDL: mm (ánodo y cátodo). -Anchura capa catalítica: mm en ánodo y en cátodo. -Anchura membrana: mm (Nafion-117). La geometría de las placas bipolares de ánodo y cátodo no es completamente simétrica, ya que las placas están dispuestas en flujo cruzado. Capas difusoras de gases (GDL) Las GDL han sido adquiridas a SGL Group (Alemania), y corresponden al modelo Sigracet 10 CC, de 0.42 mm de espesor y porosidad El contenido en PTFE (teflón de características hidrófobas) es del 10%, y en el lado del electrodo contiene una capa de tipo MPL (Micro Porous Layer) para mejorar la evacuación de agua del electrodo y asegurar un mejor contacto GDL/CL. Tanto el contenido de PTFE como la interacción

6 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 57 de 110 MPL/GDL tiene un efecto fundamental en el funcionamiento global de la celda, en especial por sus implicaciones en el water management [62-64]. Las principales propiedades se muestran en la figura siguiente. Figura 20. Propiedades de las GDL de SGL Group. Conjunto membrana/electrodo (MEA) La membrana seleccionada ha sudo adquirida a Baltic Fuel Cells (Alemania) y se trata de una membrana tipo CCM (Catalyst Coated Membrane). La membrana es de Nafion-117 (cuyas propiedades se especifican a continuación) y la carga de catalizador en los electrodos es de 0.3 mg Pt/cm 2 en ánodo y 0.6 mg Pt/cm 2 en cátodo. El ratio monómero/carbono (I/C ratio) en el electrodo es de 1.2/2, con u 70% de Pt sobre carbono. El ratio monómero/catalizador es ¼. El alto ratio I/C evita pérdidas de voltaje de tipo óhmico en el electrodo (resistencia protónica) especialmente en condiciones de baja humidificación de reactantes [65].

7 José Alfredo Iranzo Paricio Página 58 de 110

8 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 59 de 110 Figura 21. Tabla propiedades de membranas Nafion

9 José Alfredo Iranzo Paricio Página 60 de Condiciones de operación Las condiciones de operación especifican el punto de operación de la monocelda. Se deben especificar los flujos de reactantes y su humidificación, así como su temperatura de entrada, presión de operación, e intensidad de trabajo de la monocelda. La curva de polarización se obtiene a partir de los puntos de operación propuestos en el documento FCTESTNET [77] y listados en la Figura 22. Figura 22. Puntos de operación propuestos para la obtención de la curva de polarización de la monocelda (según FCTESTNET). Para cada punto o intensidad se trabaja con un flujo de reactantes acorde a la intensidad de corriente que la monocelda debe producir. El flujo de reactantes se determina mediante la ecuación de Faraday: [ ] Qv, λ 1/( zfv ) mφ NIλ = (46) Donde Qv,λ es el flujo volumétrico de reactante (en base seca) para un factor estequiométrico λ.

10 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 61 de 110 z es el número de electrones intercambiados. F es la constate de Faraday = A s / mol. Vm es el volumen molar de gas ideal en condiciones STP. Wm = RT/p = l/mol φ es la fracción másica de reactante en la corriente de gases. N es el número de celdas en el stack. I es la intensidad de corriente λ es el factor estequiométrico, ratio de flujo de gases utilizado con respecto al necesario para mantener la intensidad de corriente. Las propiedades de los gases utilizados como reactantes en la monocelda están listadas en la tabla de la Figura 23. Figura 23. Propiedades de los gases utilizados como combustible y oxidante. A partir de la ecuación de Faraday se pueden obtener los flujos volumétricos de reactantes, cuyas expresiones son (Figura 24): Figura 24. Expresiones para el cálculo de los flujos volumétricos de los reactantes.

11 José Alfredo Iranzo Paricio Página 62 de 110 Con respecto a los factores estequiométricos, existen especificaciones del fabricante para la operación de la pila, siendo λánodo = cc/min y λcátodo = Sin embargo estos factores se pueden variar tanto en la operación experimental como en las simulaciones con objeto de conocer el funcionamiento de la monocelda en función de los factores estequiométricos. Se ha comprobado en las primeras pruebas experimentales que especialmente la placa paralelo trabajando con aire requiere mayores factores estequiométricos en el cátodo para una operación estable. Esto se discutirá en el correspondiente informe sobre los ensayos experimentales y la validación de los resultados de la monocelda. La presión de operación especificada por el fabricante es de 50 psig (4.5 bar absolutos), pero de nuevo se pueden variar este valor tanto en la operación experimental como en las simulaciones con objeto de conocer el funcionamiento de la monocelda en función de la presión de trabajo. La temperatura de operación se ajusta en general a 60 ºC. No se han podido conseguir mayores temperaturas de operación en los ensayos experimentales, ya que a bajas densidades de corriente la generación de calor es baja y hay que mantener la temperatura de la pila mediante una resistencia eléctrica externa. La humedad relativa a la entrada de ánodo y cátodo es otro parámetro que se puede modificar en la operación experimental de la pila y en las simulaciones. Es posible trabajar con gases secos o aumentando la humedad relativa hasta el 100%. El cálculo del contenido en vapor de agua en los gases se realiza mediante cálculos psicrométricos tanto para aire (Figura 25) como para hidrógeno (Figura 26).

12 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 63 de 110 Figura 25. Diagrama psicrométrico aire.

13 José Alfredo Iranzo Paricio Página 64 de 110 Figura 26. Diagrama psicrométrico hidrógeno.

14 Máster en Sistemas de Energía Térmica Proyecto Fin de Máster Página 65 de 110 De esta forma se presenta en la Tabla 5 el cuadro resumen de la operación de la pila. BP diseño BP disposición BP material Flujo paralelo/serpentín quíntuple Flujo cruzado Grafito ElectroChem MEA área cm2 49 Catalizador ánodo mgr Pt/cm2 0.3 Catalizador cátodo mgr Pt/cm2 0.6 GDL material SGL Sigracet 10CC (10%PTFE) Membrane Nafion-117 Gas ánodo H2 seco/humidificado Gas cátodo Aire/O2 seco/humidificado HR ánodo % % HR cátodo % % λ ánodo λ cátodo Temperatura C 60 Presión bar(a) 4.0 Tabla 5. Cuadro resumen de las condiciones de operación de la monocelda implementadas en la simulación.