PROYECTO FIN DE MASTER

Transcripción

1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA Departamento de Ingeniería Energética Grupo de Termotecnia PROYECTO FIN DE MASTER MODELO UNIDIMENSIONAL DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM Y VALIDACIÓN EXPERIMENTAL Autor: José Antonio Salva Aguirre Tutor: Dr. Felipe Rosa Iglesias Sevilla, Noviembre 2012 Dr. Francisco Javier Pino Lucena

2 CONTENIDO 1. OBJETIVO DEL PROYECTO FIN DE MASTER INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEM NECESIDAD DE UN VECTOR ENERGÉTICO DIFERENTE FUNCIONAMIENTO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM CURVA DE POLARIZACIÓN Región 1 ->Pérdidas por activación Región 2 -> Pérdidas Óhmicas Región 3 -> Pérdidas por concentración Pérdidas totales EXPERIMENTACIÓN DESCRIPCION DEL BANCO DE ENSAYO Y SU FUNCIONAMINETO DESCRIPCION DE LOS ELEMENTOS QUE FORMAN LA MONOCELDA Placas Bipolares GDLs Membrana + catalizadores (MEA): PLAN DE ENSAYO DE LA MONOCELDA RESULTADOS OBTENIDOS Temperatura de operación Estequiometria en cátodo Estequiometria en ánodo Humedad relativa de los gases anódicos y catódicos INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN MODELADO DE LA MONOCELDA ESTADO DEL ARTE Estado del arte en modelos matemáticos MODELO DE LA CURVA DE POLARIZACIÓN Ley de Faraday: Consumo y producción de especies E (T,P) -> Potencial de Nerst Modelo de pérdidas por activación (Ecuación de Butler-Volmer y simplificación de Tafel) (V act ) Modelo de pérdidas óhmicas (V ohm ) Modelo de pérdidas por concentración (V concnetración )

3 4.3 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO EVALUACIÓN DEL MODELO Análisis paramétrico de la temperatura de operación Análisis paramétrico de la presión de operación Análisis paramétrico de la estequiometría en cátodo Análisis paramétrico de la estequiometría en ánodo Análisis paramétrico de la humedad relativa VALIDACIÓN DEL MODELO DESARROLLADO VALIDACIÓN DEL ENSAYO VALIDACIÓN DEL ENSAYO CONCLUSIONES DE LA VALIDACIÓN CONOCIMIENTOS Y CONCLUSIONES OBTENIDAS TRABAJO FUTURO REFERENCIAS ANEXO ANEXO 1: GUÍA DE OPERACIÓN DE LA MONOCELDA USADA ANEXO 2: CURVA DE POLARIZACIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo Curva de polarización del Ensayo ANEXO 3: ESTADO DEL ARTE EN MODELOS CFD ANEXO 4: CURVA DE POLARIZACIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS Validación del ensayo Validación del ensayo Validación del ensayo Validación del ensayo Validación del ensayo

4 Validación del ensayo Validación del ensayo Validación del ensayo

5 Índice de Figuras Figura 1. Diagrama de tareas para el Proyecto Fin de Master Figura 2. a) Crecimiento de la demanda energética mundial según diferentes fuentes. b) Aumento de las emisiones de CO Figura 3. Crecimiento del precio del barril de petróleo Figura 4. Distribución de proyectos de energía aprobados en INNPACTO 2011 [5] Figura 5. Patentes en el sector energético renovable [5] Figura 6. Las 10 empresas con más patentes asignadas en el periodo [5] Figura 7. Distribución de patentes sobre la tecnología del hidrógeno por países [5] Figura 8. Esquema de una celda de combustible tipo PEM Figura 9. Ejemplo de aplicaciones estacionarias, militar y automovilística Figura 10. Curva de polarización típica de una pila de combustible tipo PEM Figura 11.Identificación del canal y la costilla en una placa bipolar Figura 12. Foto del FuelCon usado para caracterizar la monocelda Figura 13. Panel de control del FuelCon Figura 14. Fotos de la monocelda. a) Vista de salida de los gases, b) Vista de entrada de los gases, c) Vista de perfil Figura 15. Placa bipolar usada en la parte experimental Figura 16. GDL usada en la parte experimental Figura 17. MEA usada en la parte experimental Figura 18. Curva de polarización para diferentes temperaturas (HR=50%, λ ánodo =1,5 y λ cátodo =2) Figura 19. Curva de polarización para diferentes temperaturas (HR=100%, λ ánodo =1,5 y λ cátodo =2) Figura 20. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λ ánodo =1,5 y T ope =55ºC) Figura 21. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λ ánodo =2 y T ope =55ºC) Figura 22. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λ cátado =2 y T ope =55ºC) Figura 23. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λ cátado =3,5 y T ope =55ºC) Figura 24. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λ ánodo =1,5, λ cátado =2 y T ope =55ºC) Figura 25. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λ ánodo =1,5, λ cátado =2 y T ope =40ºC) Figura 26. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λ ánodo =2, λ cátado =3,5 y T ope =40ºC) Figura 27. Influencia de la temperatura de operación en la curva de polarización[22] Figura 28. Análisis de sensibilidad de la curva de polarización con el caudal de air a la entrada[26] Figura 29. Transporte y generación de agua en la MEA

6 Figura 30. Densidad de corriente de masa limitante Figura 31. Interfaz creada para el manejo del modelo numérico Figura 32. Análisis paramétrico de la temperatura de operación Figura 33. Análisis paramétrico de la presión de operación Figura 34. Análisis paramétrico de la estequiometría en cátodo Figura 35. Análisis paramétrico de la estequiometría en ánodo Figura 36. Análisis paramétrico de la humedad relativa Figura 37. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 38. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 39. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 40. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 41. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 42. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 43. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 44. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 45. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 46. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 47. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 48. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 49. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 50. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 51. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 52. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo Figura 53. Resultados experimentales y numéricos de la curva de polarización [2] Figura 54. Fracción másica de O 2 en cátado (imagen de la izquierda) y distribución de temperatura en el plano medio de la membrana (imagen de la deracha) [3] Figura 55.Curva de polarización y de potencia [48] Figura 56. Resultados de interés obtenidos por A.D.Le yb.zhou [49] Figura 57. Dominio de resolución mediante CFD de C.M.Baca Figura 58. Distribución de temperatura en la MEA [50] Figura 59. Curva de polarización y de potencia [51] Figura 60. Curva de polarización en función del ratio altura/anchura del canal [53] Figura 61. Canal con flujo paralelo (izquierda) y canal con flujo serpentín (paralelo) [52] Figura 62. Validación de los resultados obtenidos mediante CFD [52] Figura 63. Densidad de corriente[52] Figura 64. Geometría del modelo de C.H.Chen [55] Figura 65. Pérdida de carga en el stack [55] Figura 66. Resultados obtenidos en la simulación realizada por K.Jiao y X.Li [39] Figura 67. Resultados obtenidos por Hua Meng [56] Figura 68. Validación del modelo CFD desarrollado por M.H. Akbari & R. Rismanchi [42] Figura 69. Curvas de polarización con y sin resistencia al contacto entre BP y GDL Figura 70. Geometría usada por A. Kopanidis para el estudio de la GDL [60] Figura 71.Resultados obtenidos del campo de velocidades y de temperatura por A. Kopanidis [60] Figura 72. Validación de la curva de polarización

7 Figura 73. Validación de la densidad de corriente en la placa bipolar Figura 74. Distribución de temperatura en la placa bipolar [62] Figura 75. Mini stack simulado por Z.Liu et al [47] Figura 76. Curva de polarización y de potencia [47] Figura 77. Validación de la curva de polarización para cada monocelda [46] Figura 78.Distribución de temperaturas en las placas bipolares [46] Figura 79. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 80. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 81. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 82. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 83. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 84. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 85. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 86. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 87. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 88. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 89. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 90. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 91. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 92. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 93. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 94. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 95. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 96. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 97. Validación de la curva de polarización del ensayo Figura 98. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo Figura 99. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo

8 Índice de tablas Tabla 1. Propiedad del grafito Tabla 2. Condiciones de operación de los ensayos realizados Tabla 3.Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la temperatura de operación Tabla 4. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en cátodo Tabla 5. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en ánodo Tabla 6. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en ánodo Tabla 7. Valores usado para la resolución de la ecuación de Tafel Tabla 8. Valores de conductividades eléctricas y espesores de la placa bipolar, GDL y catalizadores Tabla 9. Valores usados para la determinación de las pérdidas óhmicas Tabla 10. Variables de operación fijadas en el análisis paramétrico de la temperatura de operación Tabla 11. Variables de operación fijadas en el análisis paramétrico de la presión de operación Tabla 12. Análisis paramétrico de la estequiometría en cátodo Tabla 13. Análisis paramétrico de la estequiometría en ánodo Tabla 14. Análisis paramétrico de la humedad relativa Tabla 15. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 16. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 17. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 18. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 19. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 20. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 21. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 22. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 23. Condiciones de operación del Ensayo Tabla 24. Condiciones de operación del Ensayo

9 Nomenclatura A i : Area de i (m 2 ) a: Activadad del agua () E o : Potencial de Nerst F: Constante de Faraday (F=96486 C/eq) HR: Humedad relativa (%) I: Intensidad de corriente (A) i: Densidad de corriente (A/m 2 ) i cell : Densidad de corriente en la monocelda (A/m 2 ) i lim,ánodo : Densidad de corriente de masa limitante en ánodo (A/m 2 ) i lim,cátodo : Densidad de corriente de masa limitante en cátodo (A/m 2 ) i o,ánodo : Densidad de corriente de referencia en ánodo (A/m 2 ) i o,cátodo : Densidad de corriente de referencia en cátodo (A/m 2 ) n: Número de electrones equivalentes por mol de reactante (eq/s) n x : Consumo o producción molar de la especie x (mol/s) P i : Presión de i (Pa) P o : Presión de referencia (Pa) P saturación : Presión de saturación del agua (Pa) R: Constante de los gases ideales (R=8,314 J/mol K) R contacto : Resistencia de contacto (Ωm 2 ) t i : Espesor de i (mm) T: Temperatura (K) v i : Coeficiente estequiométrico de la reacción del componente i V ca : Tensión a circuito abierto (V) V cell : Tensión de la monocelda V act,ánodo : Pérdidas por activación en ánodo (V) 8

10 V act,cátodo : Pérdidas por activación en cátodo (V) V óhmicas : Pérdidas óhmicas (V) V con,ánodo : Pérdidas por concentración en ánodo (V) V con,cátodo : Pérdidas por concentración en ánodo (V) V th : Voltaje Termoneutro (V) y i : Fracción molar de la especio i. Letras griegas α i : Coeficiente de transferencia de carga λ: Coeficiente de absorción de agua en Nafion () λ anodo : Coeficiente estequiométrico en ánodo λ cátodo : Coeficiente estequiométrico en cátodo σ i : Conductividad eléctrica en i (Ω -1 m -1 ) G: Variación de la función de Gibbs 9

11 1. OBJETIVO DEL PROYECTO FIN DE MASTER El objetivo del presente proyecto Fin de Master es modelar electroquímicamente una pila de combustible tipo PEM mediante un modelo matemático unidimensional. Este modelo se validará experimentalmente para diferentes condiciones de operación con el objetivo hallar el comportamiento de la curva característica de la monocelda. A continuación se muestra un diagrama con las tareas principales del proyecto Fin de Master (Ver Figura 1). Figura 1. Diagrama de tareas para el Proyecto Fin de Master Por lo tanto, en este Proyecto Fin de Master se pretende realizar un estado del arte con el fin de entender la física de la pila de combustible así como para conocer el estado actual del modelado de pilas de combustible. Realizada dicha tarea, ya se está en condiciones de preparar un modelo que sea capaz de predecir las prestaciones de la monocelda para diferentes condiciones de operación. Paralelamente a la realización del modelo, se realiza una serie de ensayos de la monocelda en cuestión con el fin de obtener la curva característica de la monocelda para diferentes condiciones de operación. Una vez se hayan realizado todos los ensayos convenientes y se haya completado el modelo, ya se está en condiciones de validar el modelo con los ensayos realizados. La motivación presente Proyecto Fin de Master es de, además de adquirir unos conocimientos sobre la física y operación de la tecnología de pilas de combustible tipo PEM, proporcionar al Grupo Termotecnia de la Universidad de Sevilla una herramienta de prediseño que permita evaluar eficazmente las características de una monocelda tipo PEM para determinar las condiciones óptimas de operación. Destacar que el Grupo de Termotecnia de la Universidad 10

12 de Sevilla ya tiene un modelo detallado para monoceldas tipo PEM desarrollado mediantes técnicas CFD por Alfredo Iranzo y que ha sido validado experimentalmente [1-3]. Aunque los resultados obtenidos en este Proyecto Fin de Master no son tan precisos como los obtenidos por Alfredo Iranzo debido a que el modelo realizado es unidimensional frente a resultados CFD donde se obtienen soluciones locales de cualquier variable que influya en el comportamiento de la pila de combustible, no hay que perder de vista el objetivo final que es la realización de la Tesis Doctoral donde se va a validar el comportamiento de un stack completo (trabajo muy complejo de realizar con técnicas CFD debido a la capacidad computacional que se requiere). Por otra parte, destacar que, aunque los resultados obtenidos no son tan precisos como los obtenidos mediante CFD, el tiempo requerido para obtener la curva característica de la monocelda es del orden de 1 segundo mientras que con CFD se necesitan varios días. De esta forma, el Proyecto Fin de Master se ha desglosado de la siguiente manera: - En primer lugar se realiza una introducción a la tecnología de las pilas de combustible tipo PEM. En este apartado se justifica la necesidad de usar un vector energético diferente y se describe brevemente el funcionamiento de la pila de combustible tipo PEM así como la forma de la curva característica de la misma. - En segundo lugar se describe la parte experimental que se ha realizado. En este aspecto se detallan la monocelda tipo PEM usada y los equipos de medidas así como los ensayos que se han realizado y sus resultados. - En tercer lugar se describe el modelo desarrollado. Para justificar el tipo de modelo que usado se ha realizado un estado del arte sobre modelados de pilas de combustible. Una vez seleccionado el tipo de modelo, se especifican las ecuaciones utilizadas y los resultados obtenidos. - Por último, se valida el modelo desarrollado con los experimentos realizados y se obtienen una serie de conclusiones. Además, se proponen futuras líneas de trabajo para mejorar el modelo. 11