Reducción de peso y volumen en pilas de combustible de alcohol directo

Transcripción

1 Seminario: Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER Reducción de peso y volumen en pilas de combustible de alcohol directo Óscar Santiago Carretero Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales 8 de Febrero de 2018

2 Por qué pilas de combustible de alcohol directo? El hidrógeno 2 Fuente: Informe Global Automotive Executive Survey 2017 de KPMG Fuente:

3 Por qué pilas de combustible de alcohol directo? 3 El hidrógeno Dificultades Distribución Almacenamiento Producción Metanol y Etanol

4 Operación de las pilas de combustible de alcohol directo 4 e - V e - CH 3 OH CO 2 H 2 O CO 2 H + H 2 O H 2 O O 2 CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 6H + + 6e - CH 3 OH O 2 1.5O 2 + 6H + + 6e - 3H 2 O H + CH 3 OH + 1.5O 2 CO 2 + 2H 2 O CH 3 OH + H 2 O CO 2 H 2 O ÁNODO CÁTODO ELECTROLITO O 2

5 Masa y volumen en aplicaciones navales y aeronáuticas 5 Empuje Sustentación Propulsión Flotabilidad mg Resistencia mg Resistencia Si m Consumo de combustible Alcance Autonomía Carga de Pago

6 Masa y volumen en aplicaciones navales y aeronáuticas 6 Empuje Sustentación Propulsión Flotabilidad mg Resistencia mg Resistencia Si Volumen Influencia en el diseño Mayor superficie mojada Mayor resistencia Mayor consumo de combustible

7 Influencia de la curva de polarización 7 Mejora de la curva de polarización Disminución de peso y volumen Datos de diseño Potencia Stack (P T ) Voltaje Stack (V T ) 200 W 12 V Temperatura (T) 70 ºC Número de celdas: 30 celdas Área electrodo: 294 cm 2 T=70 C Número de celdas: 30 celdas Área electrodo: cm 2

8 Influencia del diseño Por qué es necesario apilar monoceldas? 8

9 Influencia del diseño 9 Las placas bipolares suponen aprox el 85% masa, el 90% volumen y el 45% del coste del stack Gran influencia del material y del diseño

10 Influencia del diseño Objetivos de las placas bipolares para 2020 según DoE 10 Property Target Notes Cost < 3 $/kw 2002 dollars, 500,000 stacks per year Corrosion resistance (anode) Corrosion resistance (cathode) Electrical conductivity <1 μa cm 2 ph 3, 0.1 ppm HF, 80 C, Ar purge Potentiodynamic test <1 μa cm 2 ph 3, 0.1 ppm HF, 80 C, aerated Potentiostatic test (>24 h) 0.6 V (Ag/AgCl), ipassive < 50 na cm 2 >100 S cm 1 Area specific resistance Hydrogen permeability Flexural strength <0.01 Ω cm 2 Including contact resistance at 138 N cm 2 < cm 3 (s cm 2 Pa) >25 MPa Forming elongation 40%

11 Influencia del diseño Materiales para placas bipolares 11 Grafito de alta densidad Materiales metálicos Acero inoxidable Aluminio Titanio Recubrimiento y modificación superficial Fuente: Materiales compuestos con carbono Polímeros (termoplásticos y termoestables) Refuerzo (grafito, fibras de carbono, óxido de grafeno)

12 Problema de diseño 12 AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell Reducción de volumen Reducción de peso Correcto funcionamiento DISEÑO PRELIMINAR

13 Problema de diseño 13 AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell f masa f volumen f fluidodinámica 1 0

14 Problema de diseño Metodología para el diseño 1º Paso: Parametrización VECTOR DE DISEÑO 14 h b 2r a 2r c T a T c N c σ a σ c κ a γ a κ c γ c ξ a ξ c ra rca rcc

15 Problema de diseño Metodología para el diseño 1º Paso: Parametrización VECTOR DE DISEÑO 2º Paso: Cálculo de la masa y el volumen del stack a partir del vector de diseño 15 VECTOR DE DISEÑO + MATERIAL = MASA VOLUMEN

16 Problema de diseño Metodología para el diseño 1º Paso: Parametrización VECTOR DE DISEÑO 2º Paso: Cálculo de la masa y el volumen del stack a partir del vector de diseño 16 3º Paso: Cálculo fluidodinámico v 1 x P 1 x τ w v 1s v 1 x + x P 1 x + x v s

17 Problema de diseño Cómo obtener el vector de diseño que optimiza la función? 17 f masa f volumen f fluidodinámica 1 0 ALGORITMO GENÉTICO

18 Problema de diseño Software para el diseño de stacks para aplicaciones embarcables 18

19 Conclusiones Las DAFC son útiles en determinadas aplicaciones Gran importancia de peso y volumen de los sistemas Gran influencia de las actuaciones de la monocelda Las placas bipolares representan la mayor parte del peso y volumen Los materiales para placas bipolares son un gran campo de investigación El diseño de las placas bipolares es de gran importancia Es posible optimizar el peso/volumen de stacks DMFC en el prediseño 19

20 20 Muchas Gracias por su Atención!