Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño de la placa bipolar de una pila de combustible tipo P.E.M.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA Y MECÁNICA DE FLUIDOS GRUPO DE TERMOTECNIA. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA Proyecto Fin de Carrera Análisis de sensibilidad de los parámetros de diseño de la placa bipolar de una pila de combustible tipo P.E.M. José Javier Martínez Sánchez Tutor: Felipe Rosa Iglesias Sevilla, Septiembre de 2005

A Carlos Martínez Martínez, Ingeniero, matemático y sobre todo abuelo. Lo prometido es lo prometido

NOMENCLATURA E Potencial ideal de equilibrio de una reacción electroquímica. Eº Potencial ideal de equilibrio en condiciones estándar (1atm y 25ºC). F R W el η act η ohm η conc I R V Re Constante de Faraday. Constante universal de los gases. Trabajo eléctrico que cede una celda de combustible. Polarización de Activación de una celda de combustible. Polarización de Óhmica de una celda de combustible. Polarización de Concentación de una celda de combustible. Intensidad de corriente eléctrica. Resistencia eléctrica. Voltaje eléctrico. Número de Reynolds. µ Viscosidad dinámica. ρ Densidad. D h P Q m α d dm v z Pentrada Psalida d S i p Diámetro hidráulico de una sección. Densidad de potencia. Densidad de caudal consumido. Flujo másico. Permeabilidad del medio. Densidad de consumo de hidrógeno Consumo de hidrógeno. Velocidad en la dirección del consumo de hidrógeno. Presión a la entrada de la placa bipolar Presión a la salida de la placa bipolar Diferencia máxima encontrada en densidades de consumo Término sumidero de hidrógeno en las ecuaciones de momento del flujo. Caída de presión.

CONTENIDO NOMENCLATURA...III CONTENIDO... IV LISTA DE FIGURAS...VIII LISTA DE TABLAS...XIII 1. OBJETIVOS DEL PROYECTO....1 2. PILAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEM...3 2.1 INTRODUCCIÓN....3 2.2 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM....10 2.2.1 La celda básica de una pila de combustible... 11 2.2.2 Funcionamiento ideal de una celda de combustible tipo PEM... 16 2.2.3 Funcionamiento real. Polarización.... 18 2.2.4 El apilamiento de las celdas de combustible: El stack.... 22 3. LA PLACA BIPOLAR...25 3.1 FUNCIONES...25 3.2 DESCRIPCIÓN Y GEOMETRÍA TÍPICA DE LA PLACA BIPOLAR....26 3.2.1 Descripción.... 26 3.2.2 Dimensiones de los canales.... 27 3.2.3 Sección de los canales... 28 3.2.4 Disposición geométrica de flujo.... 29 3.3 MATERIALES....38 3.3.1 Grafito... 39 3.3.2 Metálicos... 40 3.3.3 Composites de Carbono-Carbono... 41 3.3.4 Composites de Carbono-Polímero... 42 4. MODELADO DE LA PLACA BIPOLAR...43 4.2.1 Emmeskay, Inc... 45

4.2.2 MSC.EASY5... 46 4.2.3 FEMLAB.... 47 4.2.4 FLUENT.... 49 5. PROCEDIMIENTO...53 5.1 MODELADO DE LA PLACA BIPOLAR PARA SU USO EN FLUENT....54 5.1.1 GAMBIT 2.0... 54 5.1.2 Consideraciones previas.... 56 5.1.3 Condiciones de contorno.... 58 5.2 MODELO BASE....62 5.3 RESOLUCIÓN DE LAS PLACAS USANDO FLUENT...64 5.4 ANÁLISIS DE LA SENSIBILIDAD DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE UNA PLACA BIPOLAR....65 5.4.1 Análisis de la sensibilidad de la anchura de los canales.... 65 5.4.2 Análisis de la profundidad de los canales... 66 5.4.3 Análisis de la disposición geométrica del flujo.... 67 6. RESULTADOS....71 6.1 OBTENCIÓN DE LA SOLUCIÓN A PARTIR DE LOS RESULTADOS DADOS POR FLUENT....71 6.1.1 Obtención de la pérdida de carga... 71 6.1.2 Obtención de resultados para la distribución de combustible sobre la superficie de consumo.... 71 6.2 RESOLUCIÓN DE LA PLACA BASE...74 6.2.1 Convergencia de la solución... 74 6.2.2 Análisis de la solución.... 75 6.2.2 Cálculo de la pérdida de carga en el modelo base.... 77 6.2.3 Análisis del consumo de combustible sobre la superficie.... 79 6.3 ANÁLISIS DE LA SENSIBILIDAD DE LA ANCHURA DE LOS CANALES...83 6.3.1 Estudio de la pérdida de carga a lo largo de los canales... 83 6.3.2 Estudio de la distribución de combustible sobre la superficie del electrodo...86

6.3.3 Consideraciones finales en el análisis de la anchura de los canales.... 93 6.4 ANÁLISIS DE LA SENSIBILIDAD DE LA PROFUNDIDAD DE LOS CANALES...96 6.4.1 Estudio de la pérdida de carga a lo largo de los canales... 96 6.4.2 Estudio de la distribución de combustible sobre la superficie del electrodo....99 6.4.3 Consideraciones finales del análisis de la profundidad de los canales. 104 6.5 VISIÓN GLOBAL DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE ANCHURA Y PROFUNDIDAD DE LOS CANALES....107 6.6 CONSIDERACIONES SOBRE LA ANCHURA DE LAS COSTILLAS...110 6.7 ANÁLISIS DE LAS DISPOSICIONES GEOMÉTRICAS DE FLUJO...112 6.6.1 Estudio de la pérdida de carga.... 112 6.6.2 Estudio de la distribución de combustible sobre la superficie del electrodo.... 114 6.6.3 Consideraciones finales sobre la disposición geométrica del flujo.... 116 7. CONCLUSIONES...117 7.1 CONCLUSIONES SOBRE EL ANALÍSIS DE SENSIBILIDAD ESTABLECIDO EN ESTE PROYECTO....117 7.2 ACCIONES FUTURAS...120 8. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS....122 9. APÉNDICE...124 A) RESOLUCIÓN DE LAS PLACAS USANDO FLUENT...124 B) MEDIO POROSO EN FLUENT...132 C) REPRESENTACIÓN DE LOS PERFILES DE VELOCIDAD EN LA DIRECCIÓN DE CONSUMO SOBRE LA SUPERFICIE DE CONTACTO CON EL ELECTRODO....135 C.1 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LA ANCHURA DE LOS CANALES...135 C.1.1 Perfiles para la placa bipolar con canales de 0.5mm de ancho.... 135 C.1.2 Perfiles para la placa bipolar con canales de 1 mm de ancho.... 136

C.1.3. Perfiles para la placa bipolar con canales de 1.5 mm de ancho.... 137 C.1.4. Perfiles para la placa bipolar con canales de 2 mm de ancho.... 138 C.2 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LA PROFUNDIDAD DE LOS CANALES...139 C.2.1 Perfiles para la placa bipolar con canales de 0.5mm de profundidad.... 139 C.2.2 Perfiles para la placa bipolar con canales de 1 mm de profundidad.... 141 C.2.3 Perfiles para la placa bipolar con canales de 1.5 mm de profundidad.... 142 C.2.4 Perfiles para la placa bipolar con canales de 2 mm de profundidad.... 143 C.2.5 Perfiles para la placa bipolar con canales de 2.5 mm de profundidad.... 144 C.3 ANÁLISIS DE LA DISPOSICIÓN GEOMÉTRICA DE FLUJO....145 C.3.1 Perfiles para la placa bipolar con disposición de flujo en paralelo.... 145 C.3.2 Perfiles para la placa bipolar con disposición tipo pin... 146 C.3.3 Perfiles para la placa bipolar con disposición tipo serpentín con varias zonas... 148 D) DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES SOBRE EL PLANO MEDIO TRANSVERSAL DE LAS PLACAS BIPOLARES...149 E) ESTUDIO DE COSTES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE...152

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Obtención de energía eléctrica convencional y mediante las pila de combustible... 3 Figura 2. Esquema básico de funcionamiento de una celda elemental de una pila de combustible... 5 Figura 3. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible PEM.... 12 Figura 4. Esquema de los componentes de la MEA de una pila de combustible tipo P.E.M... 15 Figura 5. Curva característica tensión-densidad de corriente de una celda de combustible teniendo en cuenta las pérdidas... 19 Figura 6. Stack de una pila de combustible tipo PEM.... 22 Figura 7. Fotografía de una pila de combustible fabricada por NUVERA Fuel Cells Europe S.p.A. Milano-Italia... 24 Figura 8. Componentes típicos en una placa bipolar de una pila de combustible tipo P.E.M.... 26 Figura 9. Comparación en cuanto al consumo de hidrógeno de placas bipolares con distintas formas de secciones... 29 Figura 10. Placa bipolar con disposición de flujo tipo pin... 30 Figura 11. Disposición geométrica de flujo paralelo o de flujo recto... 31 Figura 12. Versiones modificadas de disposición geométrica de flujo recto... 32 Figura 13. Disposición geométrica en serpentín. (a) Flujo con varias entradas y salidas. (b) Flujo continuo.... 33 Figura 14. Múltiples canales en disposición geométrica en serpentín... 34 Figura 15. Disposición de flujo integrada... 35 Figura 16. Mecanismo de transferencia de masa en las disposiciones de flujo convencionales... 36 Figura 17. Mecanismo de transferencia de masa en las disposiciones de flujo discontinuo... 36 Figura 18. Interfaz de GAMBIT 2.0.... 56 Figura 19. Sección transversal de un modelo de la placa bipolar... 57 Figura 20. Representación usando el software FLUENT 6.1 del modelo base de este proyecto... 62

Figura 21. Modelo de placa bipolar con disposición de flujo en paralelo utilizado en este proyecto.... 68 Figura 22. Modelo de placa bipolar con disposición de flujo tipo pin utilizado en este proyecto.... 69 Figura 23. Placa bipolar con varias zonas de disposición de flujo en serpentín... 70 Figura 24. Corte transversal del modelo para visualizar el perfil de velocidades en la dirección de consumo del reactante.... 73 Figura 25. Gráfica residuos frente a número de iteraciones en la resolución de la placa base para un consumo del 50%... 74 Figura 26. Distribución de velocidades en el plano medio transversal de la placa base para un consumo del 50%... 76 Figura 27. Distribución de velocidades en la superficie de consumo para la placa base con un consumo del 50%... 76 Figura 28. Distribución de presiones relativas para toda la placa bipolar base.... 77 Figura 29. Distribución de presiones sobre las superficies: entrada a la placa, salida de la placa, y plano medio transversal... 78 Figura 30. Distribución de velocidades en la dirección de consumo sobre la superficie de la placa en contacto con el electrodo para el modelo base... 79 Figura 31. Picos de velocidades v z sobre la superficie de consumo en la placa base... 80 Figura 32. Perfiles de v z en algunas diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar base con un consumo del 50%.... 81 Figura 33. Pérdida de carga para placas bipolares con distinta anchura de canal.... 86 Figura 34. Diferencias máximas de densidad de consumo encontradas sobre la superficie de consumo para distintas anchuras de canales... 91 Figura 35. Comparación de la forma de los perfiles de densidad de consumo en distintas secciones de placas bipolares con canales de distintas anchuras... 92 Figura 36. Pérdida de carga para placas bipolares con distinta profundidad de canal. 99 Figura 37. Diferencias máximas de densidad de consumo sobre la superficie del electrodo según profundidad de canales.... 103 Figura 38. Comparación de la forma de los perfiles de densidad de consumo en distintas secciones de placas bipolares con canales de diferente alturas.... 104

Figura 39. Rangos de pérdida de carga en función de la anchura y profundidad de los canales... 107 Figura 40. Rangos de diferencias máximas de densidades de consumo sobre la superficie activa de las celdas en función de la anchura y profundidad de los canales.108 Figura 41. Perfiles de velocidad en la dirección de consumo para las cuatro disposiciones de flujo: paralelo, tipo pin, serpentín y varias zonas serpentín... 115 Figura 42. Placa bipolar con varias entradas y salidas... 120 FIGURAS DEL APÉNDICE. Figura A.1 Interfaz de FLUENT 6.1... 126 Figura A.2. Menú de métodos de resolución de FLUENT... 127 Figura A.3. Menú de elección de materiales y propiedades de FLUENT.... 129 Figura A.4. Menús para especificar las condiciones de contorno de un problema usando FLUENT.... 130 Figura A.5. Proceso de iteración de una de las placas del problema... 130 Figura A.6. Solución aportada por FLUENT usando gráficas que representan los contornos de cualquier magnitud... 131 Figura C.1.1.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 0.5mm de ancho... 135 Figura C.1.1.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 0.5mm de ancho.... 136 Figura C.1.2.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1mm de ancho... 136 Figura C.1.2.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1mm de ancho.... 137 Figura C.1.3.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1.5mm de ancho... 137 Figura C.1.3.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1.5mm de ancho.... 138 Figura C.1.4.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2mm de ancho... 138

Figura C.1.4.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2mm de ancho.... 139 Figura C.2.1.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 0.5mm de altura... 140 Figura C.2.1.b Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 0.5mm de altura... 140 Figura C.2.2.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1 mm de altura.... 141 Figura C.2.2.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1mm de altura... 141 Figura C.2.3.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1.5mm de altura.... 142 Figura C.2.3.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 1.5mm de altura... 142 Figura C.2.4.a.. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2mm de altura.... 143 Figura C.2.4.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2mm de altura... 143 Figura C.2.5.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2.5mm de altura.... 144 Figura C.2.5.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con canales de 2.5mm de altura... 144 Figura C.3.1.a. Perfiles de v z en diferentes secciones de la superficie de consumo para la placa bipolar con disposición de flujo en paralelo... 145 Figura C.3.1.b Perfiles de v z sobre la superficie de consumo para la placa bipolar con disposición de flujo en paralelo... 145 Figura C.3.2.a. Perfiles de v z sobre secciones de la superficie de consumo de la placa bipolar con disposición de flujo tipo pin... 146 Figura C.3.2.b. Distribución de velocidad v z sobre la superficie de consumo de la placa bipolar con disposición de flujo tipo pin... 147 Figura C.3.3.a. Perfiles de v z sobre secciones de la superficie de consumo de la placa bipolar con disposición de flujo tipo serpentín con varias zonas... 148

Figura C.3.3.b. Perfiles de v z sobre la superficie de consumo de la placa bipolar con disposición de flujo tipo serpentín con varias zonas... 148 Figura D.1. Contornos de velocidad para distintos rangos en el plano medio de la placa bipolar con configuración geométrica en paralelo... 149 Figura D.2. Contornos de velocidad en el plano medio transversal de la placa bipolar con configuración geométrica tipo pin. (zona gris son zonas estancas)... 150 Figura D.3. Contornos de velocidad en el plano medio transversal de la placa bipolar con configuración geométrica tipo serpentín varias zonas... 151 Figura E.1 Coste en dólares de las pilas asociadas al modelo DTI y al ADL.... 152 Figura E.2 Costes relativos de los componentes de la pila de combustible para ambos modelos... 154 Figura E.3 Estudio de la variación del coste de las placas bipolares con la variación del volumen de producción... 155 Figura E.4 Estudio de la variación del coste de las placas bipolares con la variación del periodo de vida util.... 155 Figura E.5 Sensibilidad de los costes variando las condiciones desde el modelo base.156

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Principales características de los diferentes tipos de pilas de combustible.... 7 Tabla 2. Propiedades geométricas de las placas usadas en el análisis de sensibilidad de la anchura de los canales... 65 Tabla 3. Propiedades geométricas de las placas usadas en el análisis de sensibilidad de la altura de los canales.... 67 Tabla 4. Presiones en el análisis de sensibilidad de anchura de los canales para un consumo del 100% del reactante introducido... 83 Tabla 5. Presiones en el análisis de sensibilidad de anchura de los canales para un consumo del 75% del reactante introducido.... 84 Tabla 6. Presiones en el análisis de sensibilidad de anchura de los canales para un consumo del 50% del reactante introducido.... 85 Tabla 7. Presiones en el análisis de sensibilidad de anchura de los canales para un consumo del 25% del reactante introducido.... 85 Tabla 8. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de anchura para un consumo del 100% del reactante introducido.... 87 Tabla 9. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de anchura para un consumo del 75% del reactante introducido.... 87 Tabla 10. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de anchura para un consumo del 50% del reactante introducido.... 87 Tabla 11. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de anchura para un consumo del 25% del reactante introducido.... 88 Tabla 12. Densidades de consumo medias de cada placa bipolar para un consumo del 50%.... 89 Tabla 13. Presiones en el análisis de sensibilidad de altura de los canales para un consumo del 100% del reactante introducido.... 96 Tabla 14. Presiones en el análisis de sensibilidad de altura de los canales para un consumo del 75% del reactante introducido... 97 Tabla 15. Presiones en el análisis de sensibilidad de altura de los canales para un consumo del 50% del reactante introducido.... 97

Tabla 16. Presiones en el análisis de sensibilidad de altura de los canales para un consumo del 25% del reactante introducido.... 98 Tabla 17. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de altura para un consumo del 100% del reactante introducido.... 100 Tabla 18. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de altura para un consumo del 75% del reactante introducido.... 100 Tabla 19. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de altura para un consumo del 50% del reactante introducido.... 100 Tabla 20. Máxima diferencia de densidad de consumo en al análisis de sensibilidad de altura para un consumo del 25% del reactante introducido.... 101 Tabla 21. Pérdida de carga y diferencia máxima de densidad de consumo para placas bipolares con diferente distancia de separación entre canales... 110 Tabla 22. Presiones del análisis de sensibilidad de disposiciones geométricas de flujo para un consumo del 50% del reactante introducido.... 113 Tabla 23. Diferencias máximas de densidad de consumo encontradas sobre la superficie activa de las placas con diferentes disposiciones geométricas de flujo... 114